CN114776416A - 内燃机排放控制系统、控制方法以及车辆 - Google Patents
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Abstract
一种内燃机排放控制系统、控制方法以及车辆，所述内燃机排放控制系统包括：催化剂系统，所述催化剂系统能够净化内燃机排放的废气；所述催化剂系统包括电加热催化剂；电源单元，所述电源单元能够存储电能，在内燃机冷启动前，当催化剂系统的温度低于第一温度时，所述电源单元能够预先对所述电加热催化剂供电预定时长，使得所述催化剂系统能够在设定时长内达到并维持在工作温度；控制器，所述控制器能够控制所述电源单元启动和停止对所述电加热催化剂供电。本申请实施例的内燃机排放控制系统和控制方法能够在低温环境中有效缩短内燃机冷启动时间，在内燃机冷启动阶段有效控制内燃机的废气排放。
Description
技术领域
本申请涉及但不限于内燃机废气排放控制领域，尤指一种内燃机排放控制系统、控制方法以及车辆。
背景技术
当车辆内燃机启动时，尽管内燃机内燃烧气体的温度很高(例如>1500℃)，但由于内燃机缸体、排气歧管、增压器、排气管等大量金属材料还处于环境温度，会吸收内燃机排出废气中的大量热量，使得到达催化剂入口端的内燃机排放气体温度很低。随着燃烧的进行，催化剂上游吸热部件的温度不断上升，内燃机排气达到催化剂入口前损失的热量不断减少，催化剂入口排气温度不断增加，并持续加热催化剂。当催化剂温度达到工作温度(例如，三效催化剂的工作温度在275℃至320℃以上)后，催化剂可以高效处理内燃机排出的有害废气(HC、CO和NOx等)。从内燃机启动到催化剂高效转化内燃机排放废气的时长被定义为内燃机冷启动时间。在完成冷启动之前(由于催化剂的实际温度低于工作温度，无法有效转化内燃机排放的废气)，未经催化剂有效处理就从车辆尾气排放出的废气称作冷启动排放。缩短冷启动时间是目前降低冷启动排放的有效途径之一。
目前国六后处理技术，车辆冷启动时间占整个1800秒车辆废气排放检测的前几十秒(例如，40秒)，由于低于催化剂工作温度，排放出来的废气(冷启动排放)占整个排放试验的90％左右。未来为了满足更严苛的废气排放标准(国七等)，需要降低车辆废气排放30％至50％以上。因此，通过减少冷启动时间可以有效降低内燃机冷启动阶段(后处理催化剂低于工作温度时)的废气排放量。
发明内容
以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制本申请的保护范围。
本申请实施例提供一种内燃机排放控制系统，内燃机排放控制系统包括：
催化剂系统，所述催化剂系统能够净化内燃机排放的废气；所述催化剂系统包括电加热催化剂；
电源单元，所述电源单元能够存储电能，在内燃机冷启动前，当催化剂系统的温度低于第一温度时，所述电源单元能够预先对所述电加热催化剂供电预定时长，使得所述催化剂系统能够在设定时长内达到并维持在工作温度；
控制器，所述控制器能够控制所述电源单元启动和停止对所述电加热催化剂供电。
在本申请实施例中，所述控制器能够监测所述催化剂系统的温度；并且，
在内燃机冷启动前，当所述控制器监测到的催化剂系统温度低于所述第一温度时，所述控制器能够控制所述电源单元启动对所述电加热催化剂供电；以及，
在内燃机启动后，i)当所述控制器监测到的催化剂系统温度不低于第二温度时，所述控制器能够控制所述电源单元停止对所述电加热催化剂供电；或者ii)当所述控制器监测到的催化剂系统温度低于所述第二温度时，所述控制器能够控制所述电源单元继续对所述电加热催化剂供电，直至所述控制器监测到的催化剂系统温度不低于第二温度时，所述控制器能够控制所述电源单元停止对所述电加热催化剂供电。
在本申请实施例中，
所述内燃机冷启动前，当所述控制器监测到的所述催化剂系统温度低于所述第一温度时，所述控制器能够控制所述电源单元在预定时长内对所述电加热催化剂供电使得所述催化剂系统被加热至所述第一温度；以及
所述催化剂系统被加热至所述第一温度后，所述内燃机启动后，
i)当所述控制器监测到的催化剂系统温度不低于所述第二温度时，所述控制器能够控制所述电源单元停止对所述电加热催化剂供电，所述内燃机运行排放气体的热量能够使所述催化剂系统达到并维持所述催化剂系统所需的工作温度；或者ii)当所述控制器监测到的催化剂系统温度低于所述第二温度时，所述控制器能够控制所述电源单元继续对所述电加热催化剂供电，直至所述控制器监测到的催化剂系统温度不低于第二温度时，所述控制器能够控制所述电源单元停止对所述电加热催化剂供电，所述内燃机运行排放气体的热量能够使所述催化剂系统达到并维持所述催化剂系统所需的工作温度。
在本申请实施例中，冷启动时内燃机的温度、外界环境温度和内燃机排放控制量预期目标值影响所述电源单元对所述电加热催化剂供电的所述预定时长；冷启动时所述内燃机的温度和/或所述外界环境温度越低，所述内燃机排放控制量预期目标值越高，对所述电加热催化剂供电所需的所述预定时长越长；通过增加所述电加热催化剂的功率，能够减少对所述电加热催化剂供电所需的所述预定时长。
在本申请实施例中，当所述内燃机排放控制量预期目标值为降低冷启动排放30％至50％之间时，若外界环境温度为25℃，则在内燃机启动之前，所述控制器能够控制所述电源单元对所述电加热催化剂预先供电1秒到2分钟；若外界环境温度为0℃，则在内燃机启动之前，所述控制器能够控制所述电源单元对所述电加热催化剂预先供电1秒到4分钟；若外界环境温度为-30℃，则在内燃机启动之前，所述控制器能够控制所述电源单元对所述电加热催化剂预先供电1秒到30分钟。
本申请实施例还提供一种车辆，包括如上所述的内燃机排放控制系统，所述车辆可以为内燃机车、混动车或增程式车。
在本申请实施例中，所述电源单元可以为所述混动车或所述增程式车的动力电源；所述动力电源可以为在三元锂离子电池的基础上，在阴极的三元材料中加入活性炭，所述活性炭为超级电容采用的活性炭；将阳极设置为多孔微晶石墨，在电解液中添加有温度低于预设温度且粘度低于预设粘度的添加剂。
在本申请实施例中，所述电源单元可以与所述混动车或所述增程式车的动力电源分别设置，所述动力电源为三元锂离子电池；或者所述车辆为内燃机车；所述电源单元可以为在三元锂离子电池的基础上，在阴极的三元材料中加入活性炭，所述活性炭为超级电容采用的活性炭，将阳极设置为多孔微晶石墨，在电解液中添加有温度低于预设温度且粘度低于预设粘度的添加剂；当所述动力电池的温度低于工作温度时，所述内燃机启动后，所述内燃机运行排放气体的热量能够为所述动力电池加热。
本申请实施例还提供一种内燃机排放控制方法，该方法采用如上所述的内燃机排放控制系统控制所述内燃机的废气排放量，可以包括以下步骤：
采用所述催化剂系统净化所述内燃机排放的废气；以及
采用所述电源单元存储电能，在所述内燃机冷启动前，当催化剂系统的温度低于第一温度时，在-40℃至50℃的外界环境中，采用所述电源单元预先对所述电加热催化剂供电预定时长，使得所述催化剂系统能够在设定时长内达到并维持在工作温度。
在本申请实施例中，所述内燃机排放控制方法还可以包括：
采用所述控制器监测所述催化剂系统的温度；以及
在所述内燃机冷启动前，当所述控制器监测到的催化剂系统温度低于第一温度时，在-40℃至50℃的外界环境中，采用所述控制器控制所述电源单元在预定时长内对所述电加热催化剂供电使得所述催化剂系统被加热至所述第一温度；以及
在所述内燃机启动后，i)当所述控制器监测到的催化剂系统温度不低于第二温度时，采用所述控制器控制所述电源单元停止对所述电加热催化剂供电，采用所述内燃机运行排放气体的热量使所述催化剂系统达到并维持所述催化剂系统所需的工作温度；或者ii)当所述控制器监测到的催化剂系统温度低于所述第二温度时，采用所述控制器控制所述电源单元继续对所述电加热催化剂供电，直至所述控制器监测到的催化剂系统温度不低于第二温度时，采用所述控制器控制所述电源单元停止对所述电加热催化剂供电，采用所述内燃机运行排放气体的热量使所述催化剂系统达到并维持所述催化剂系统所需的工作温度。
本申请实施例的内燃机排放控制系统和控制方法，在内燃机冷启动前，当催化剂系统的温度低于第一温度时，可以采用电源单元预先对电加热催化剂供电预定时长，使得电加热催化剂被加热，从而带动电加热催化剂所在的整个催化剂系统的温度在内燃机启动后能够更加迅速地达到并维持在催化剂系统的工作温度，从而可以确保从内燃机启动到催化剂系统达到工作温度的时间(即冷启动时间)不超过期望值，实现在内燃机冷启动阶段对内燃机排放的废气的有效处理。另外，本申请实施例的内燃机排放控制系统和控制方法可以在较低的外界环境温度(例如，-40℃)中实现在内燃机冷启动阶段对内燃机排放的废气的有效处理，并且该方案成本相对于提高电源单元的功率，成本较低，重量较轻。
另外，本申请实施例的内燃机排放控制系统和控制方法还可以待催化剂系统达到第一温度后，内燃机冷启动后，利用催化剂入口不断升温的内燃机运行排放气体，在设定时长内使催化剂系统快速达到工作温度范围，并且可以利用排放气体的热量维持所述催化剂系统所需的工作温度，此时可以通过控制器控制所述电源单元停止对所述电加热催化剂供电，这样既可以实现电源单元对电加热催化剂的高效加热，又可以节省电源单元的电量。
本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的其他优点可通过在说明书以及附图中所描述的方案来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本申请技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。
图1为本申请实施例的内燃机排放控制系统的结构示意图；
图2为本申请实施例的内燃机排放控制方法的工艺流程图；
图3为本申请的一种实施例中内燃机(汽油机)启动时间、催化系统的温度以及车辆尾气排放出的有害废气(CO)的曲线趋势示意图；
图4为本申请的电源单元具有的电池单体的一种实施方式的结构示意图；
图5为预定时长、设定时长与供电总时长的对应关系示意图。
附图中的标记符号的含义为：
10-催化剂系统；11-电加热催化剂；20-电源单元；30-控制器；40-内燃机；50-废气排放管路；100-电池单体；1-阴极；2-三元材料；3-活性炭；4-铝箔；5-电解液；6-隔膜；7-阳极；8-多孔微晶石墨；9-铜箔。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本申请的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
目前，市场上还没有成熟的降低内燃机冷启动阶段排放废气中的有害气体的排放控制技术。
本申请实施例提供了一种内燃机排放控制系统。图1为本申请实施例的内燃机排放控制系统的结构示意图。如图1所示，所述内燃机排放控制系统可以包括：催化剂系统10、电源单元20和控制器30。
所述催化剂系统10能够净化内燃机排放的废气；所述催化剂系统10包括电加热催化剂11。催化剂系统10在其工作温度时，能够处理内燃机排放的废气中的有害气体(HC、CO和NOx等)。
所述电源单元20能够存储电能，在内燃机冷启动前，当催化剂系统10的温度低于第一温度时，所述电源单元20能够预先对所述电加热催化剂11供电预定时长，使得所述催化剂系统10能够在设定时长内达到并维持在工作温度。
所述控制器30能够控制所述电源单元20启动和停止对所述电加热催化剂11供电。如图1所示，所述控制器30可以与所述电源单元20信号连接和/或电连接。
在本申请的描述中，术语“催化剂系统的工作温度”定义为催化剂系统能够有效转化内燃机排放的废气时的温度(例如，使废气转化率＞90％对应的最低温度，或者根据排放目标选定的一温度值)。
在本申请实施例中，电源单元20可以只对电加热催化剂11供电，即催化剂系统10中可以仅有电加热催化剂11被直接加热，电加热催化剂11的温度升高后带动整个催化剂系统10温度升高。电加热催化剂11可以位于催化剂系统10的前端，即沿内燃机排气的流动方向，电加热催化剂11可以位于催化剂系统10的上游。
在本申请的描述中，术语“预定时长”定义为在内燃机冷启动前，预先对所述电加热催化剂供电的时间长度。
在本申请的描述中，术语“设定时长”定义为催化剂系统的温度从内燃机启动时的温度升高到工作温度并维持在工作温度所需的时间长度。其中一种实施方式中，如图3所示的L1为内燃机冷启动时间，与设定时长相同；设定时长越短，自内燃机启动至设定时长结束的时间点，内燃机排放的废气中的有害气体的排放越少。本实施例中，L1在20秒至40秒之间，相对于设定时长为50秒，内燃机排放的废气中的有害气体的排放可以减少30％以上。图3以汽油机为例，说明内燃机启动时间、催化系统的温度以及车辆尾气排放出的有害废气(CO)的曲线趋势示意图，其中上方曲线为催化剂系统的温度变化曲线，下方曲线为车辆尾气排放出的有害废气(CO)的质量流量变化曲线，图中示出在L1内，车辆尾气排放出的有害废气(CO)在未达到催化剂系统的工作温度前排放较为明显，所以设定时长越长对应的有害气体排放越多，本实施例以汽油机为例，工作温度为300℃附近，设定时长为30秒左右。
本实施例中，如图5所示，电加热催化器的供电总时长等于预定时长与从内燃机启动时刻到催化剂系统达到第二温度时长之和。达到第二温度的时间可以在内燃机启动时刻与冷启动完成时刻之间，即电加热催化器的供电总时长大于或等于预定时长，内燃机启动时刻到催化剂系统达到第二温度时长小于或等于设定时长。当然，当催化剂系统的温度不低于第一温度时，预定时长可以为零，供电总时长大于或等于内燃机启动时刻到催化剂系统达到第二温度时长。
本申请实施例的内燃机排放控制系统，在内燃机冷启动前，当催化剂系统10的温度低于第一温度时，可以采用电源单元20预先对电加热催化剂11供电预定时长，使得电加热催化剂11被加热，从而带动电加热催化剂11所在的整个催化剂系统10的温度在内燃机启动后能够更加迅速地升高到催化剂系统10的工作温度，从而可以确保从内燃机启动到催化剂系统达到工作温度的时间(即冷启动时间)不超过期望值，实现在内燃机冷启动阶段对内燃机排放的废气的有效处理。另外，本申请实施例的内燃机排放控制系统的电源单元可以为在三元锂离子电池的基础上，在阴极的三元材料中加入活性炭，所述活性炭为超级电容采用的活性炭，将阳极设置为多孔微晶石墨，在电解液中添加有温度低于预设温度且粘度低于预设粘度的添加剂，兼具超级电容的低温特性，电源单元的工作温度范围可以达到-40℃至+70℃，电源单元可以在较低的外界环境温度为电加热催化剂供电，进而使得内燃机排放控制系统可以在较低的外界环境温度(例如，-40℃)中实现在内燃机冷启动阶段对内燃机排放的废气的有效处理。
电源单元可以包括至少两个串联和/或并联设置的电池单体，如图4所示，本申请实施例提供了一种电池单体100，包括：阴极1、阳极7以及位于所述阴极1和所述阳极7之间的隔膜6，以及位于阴极的部分电解液5和位于阳极的部分电解液5；所述阴极1包括：三元材料2与活性炭3的混合物；所述活性炭3为超级电容采用的活性炭；所述阳极7包括多孔微晶石墨8，所述多孔微晶石墨8的有效比表面积和电导率大于三元锂离子电池的阳极石墨的有效比表面积和电导率。在本申请的实施例中，阴极1可以由三元材料2与活性炭3混合而成附着在铝箔4上，阳极7可以由多孔微晶石墨8构成附着在铜箔9上。本实施例的技术方案，在三元锂离子电池单体的基础上，调整了阴极的成分，主要是增加了活性炭成分，虽然使得原三元材料的比重有所下降，但是加入的活性炭成分提高了电池的充放电倍率，使得阴极充放电倍率提高，为了适应这一变化，阳极需要对应调整，以增加电荷的吸附能力，本申请的实施例中采用多孔微晶石墨方案，所述多孔微晶石墨的有效比表面积和电导率大于三元锂离子电池的阳极石墨的有效比表面积和电导率，提高了阳极的孔隙的总面积，有利于提高放电倍率，还可以与阴极通过物理吸附作用实现能量的存储和释放，由于是物理吸附，相对于普通三元锂离子电池而言，材料损伤更小，有利于提高电极的使用寿命，进而提高电池的使用寿命。在本申请的示例性实施例中，多孔微晶石墨的孔隙排列可以为无序排列；相对于层状的石墨，吸附于多孔微晶石墨的孔隙的电荷比层状排序的电荷更容易脱嵌，能够降低阴极的内阻。另外单位体积内，多孔微晶石墨的孔隙的数量比三元锂离子电池的石墨电极的孔隙更多，多孔微晶石墨的孔隙的大小比三元锂离子电池的石墨电极的孔隙更大，电荷嵌入和脱嵌更容易，物理吸附也更好。
在本申请实施例中，可以根据外界环境温度、经验控制模型及实测温度反馈来调整第一温度，所述第一温度可以等于、高于或低于所述催化剂系统的工作温度。
在本申请实施例中，预定时长越长，内燃机启动前，电加热催化剂的温度越高，催化剂系统被加热的温度越高，内燃机启动后，越有利于实现在内燃机冷启动阶段对内燃机排放的废气的有效处理。
在本申请实施例中，当催化剂系统的温度低于第一温度时，所述电源单元能够预先对所述电加热催化剂供电预定时长，此时所述电加热催化器的供电总时长可以大于所述预定时长，在预热阶段，可以将催化剂系统加热到第一温度，所述第一温度可以等于或低于所述催化剂系统的工作温度，即在预定时长结束、内燃机冷启动时，所述催化剂系统10的温度还不能维持在工作温度(即使在预定时长结束时所述催化剂系统10的温度达到了工作温度，由于在内燃机冷启动开始时到达催化剂入口端的内燃机排放气体温度较低，会对所述催化剂系统10产生冷却作用，使得所述催化剂系统10的温度不能维持在工作温度)，此时可以继续对所述电加热催化剂11供电，使所述催化剂系统10达到第二温度，停止对电加热催化剂11供电，从而确保所述催化剂系统10的温度能够在设定时长内达到并维持在工作温度。此时，虽然在内燃机开始冷启动时，催化剂系统10还不能维持在催化剂系统10的工作温度，但由于已经被预先加热了一个预定时长，因此与不预先加热的情况相比，预定时长内积累的热量能够帮助催化剂系统10更加迅速地升高到工作温度，从而有效降低内燃机的冷启动时间。
在另外的实施例中，当催化剂系统的温度低于第一温度时，所述电源单元能够预先对所述电加热催化剂供电预定时长，电加热催化器的供电总时长大于所述预定时长，在预热阶段，可以将催化剂系统加热到第一温度，所述第一温度可以高于所述催化剂系统的工作温度但与所述催化剂系统的工作温度的差值不足够大时，在内燃机启动后，所述催化剂系统的温度可能会降到工作温度以下，此时仍然需要继续对所述电加热催化剂11供电，使所述催化剂系统10达到第二温度，停止对电加热催化剂11供电，从而确保所述催化剂系统10的温度能够在设定时长内达到并维持在工作温度。
在其他实施例中，当催化剂系统的温度低于第一温度时，所述电源单元能够预先对所述电加热催化剂供电预定时长，电加热催化器的供电总时长可以等于所述预定时长，在预热阶段，可以将催化剂系统加热到第一温度，所述第一温度可以显著高于所述催化剂系统的工作温度，即通过在内燃机冷启动前对电加热催化剂11的预先供电，使所述催化剂系统10的温度达到预定的一个显著高于催化剂系统10的工作温度的第一温度，这样当内燃机冷启动初始时，催化剂系统10在被上游下来冷的内燃机排气冷却过程中能够保持温度高于或等于催化剂系统10的工作温度，从而确保所述催化剂系统10的温度能够在设定时长内达到并维持在工作温度，可以更有效地处理内燃机排放的废气。
应理解，在本申请实施例中，当催化剂系统的温度不低于第一温度时，电加热催化器的供电总时长可以等于内燃机启动时刻到催化剂系统达到第二温度的时长，即在内燃机启动前，不需要对电加热催化剂供电，在内燃机启动时刻到催化剂系统达到第二温度的时长内，通过对电加热催化剂供电，可以使得催化剂系统在设定时长内达到并维持在工作温度。
在本申请实施例中，所述控制器30能够监测所述催化剂系统10的温度，并且，
在内燃机冷启动前，当所述控制器30监测到的催化剂系统温度低于第一温度时，所述控制器30能够控制所述电源单元20启动对所述电加热催化剂11供电；以及，
在内燃机启动后，i)当所述控制器30监测到的催化剂系统温度不低于第二温度时，所述控制器30能够控制所述电源单元20停止对所述电加热催化剂11供电；或者ii)当所述控制器30监测到的催化剂系统温度低于所述第二温度时，所述控制器30能够控制所述电源单元20继续对所述电加热催化剂11供电，直至所述控制器30监测到的催化剂系统10温度不低于第二温度时，所述控制器30能够控制所述电源单元20停止对所述电加热催化剂11供电。如图1所示，所述控制器30可以与所述催化剂系统10信号连接。
在本申请实施例中，所述第一温度、所述第二温度、对电加热催化剂的供电总时长(等于预定时长和内燃机启动时刻到催化剂系统达到第二温度的时长之和)及加热输出功率可以根据启动前内燃机温度和外界环境温度的经验模型预测以及各相关点实时温度的测量值，来调整实施，以确保所述催化剂系统达到或略高于所述催化剂系统的工作温度的冷启动时长(设定时长)小于或等于满足排放要求的冷启动时间限值，进而减少冷启动时间内排放的废气中有害气体的排放量。
在本申请实施例中，
所述内燃机冷启动前，当所述控制器30监测到的所述催化剂系统10温度低于所述第一温度时，所述控制器30能够控制所述电源单元20在预定时长内对所述电加热催化剂11供电使得所述催化剂系统10被加热至所述第一温度；
所述催化剂系统10被加热至所述第一温度后，所述内燃机启动后，i)当所述控制器30监测到的催化剂系统温度不低于所述第二温度时，所述控制器30能够控制所述电源单元20停止对所述电加热催化剂11供电，所述内燃机运行排放气体的热量能够使所述催化剂系统10达到并维持所述催化剂系统10所需的工作温度；或者ii)当所述控制器30监测到的催化剂系统10温度低于所述第二温度时，所述控制器30能够控制所述电源单元20继续对所述电加热催化剂11供电，直至所述控制器30监测到的催化剂系统温度不低于第二温度(所述内燃机运行排放气体的热量外加电加热产生的热量能够使所述催化剂系统10达到第二温度)时，所述控制器30能够控制所述电源单元20停止对所述电加热催化剂11供电，所述内燃机运行排放气体的热量能够使所述催化剂系统10达到并维持所述催化剂系统10所需的工作温度。
在内燃机冷启动前，所述催化剂系统10即被加热至第一温度，这样当内燃机开始冷启动时，催化剂系统10可以快速达到等于或者接近催化剂系统10的工作温度的第二温度，可以部分处理内燃机排放的废气；待所述催化剂系统10达到第二温度后，内燃机运行排放气体的热量以及废气中还原性组分(CO和HC)氧化释放的热量，可以将所述催化剂系统10维持在所需的工作温度，此时可以通过控制器30控制所述电源单元20停止对所述电加热催化剂11供电，这样既可以实现电源单元20对电加热催化剂11的高效加热，又可以节省电源单元20的电量。
在本申请实施例中，所述第二温度可以等于、高于或低于所述催化剂系统的工作温度(可以根据冷启动时内燃机的温度、期望的冷启动时间等因素利用经验控制模型来调整第二温度)。
在本申请实施例中，所述第二温度可以是变化的。例如，当内燃机启动后还要继续对所述电加热催化剂11供电时，所述第二温度可以随着内燃机启动后的继续供电时间而变化。具体地，在内燃机启动初始，到达催化剂入口端的内燃机排放气体温度较低，会对所述催化剂系统10产生冷却作用，此时的第二温度可以较高，例如可以高于所述催化剂系统10的工作温度；随着对所述电加热催化剂11继续供电时间的延长，到达催化剂入口端的内燃机排放气体温度逐渐升高并能够对催化剂系统10产生快速加热作用，此时只需要将所述催化剂系统10加热至较低的第二温度(例如可以等于或低于所述催化剂系统10的工作温度)就可以停止对所述电加热催化剂11供电，后续可以利用内燃机运行排放气体的快速加热作用使所述催化剂系统10快速达到并维持在工作温度。
在本申请实施例中，冷启动时内燃机的温度、外界环境温度和内燃机排放控制量预期目标值可以影响所述电源单元20对所述电加热催化剂11供电的所述预定时长。因此，可以基于冷启动时内燃机的温度、外界环境温度和内燃机排放控制量预期目标值调节所述电源单元20对所述电加热催化剂11供电的所述预定时长和供电总时长。例如，所述冷启动时内燃机温度和/或外界环境温度越低，对所述电加热催化剂11供电所需的所述预定时长越长，或者提高电源单元的输出功率；所述内燃机排放控制量预期目标值越高，内燃机启动后设定时长越短。
在本申请实施例中，可以通过增加所述电加热催化剂11的最大加热功率，减少对所述电加热催化剂11供电所需的所述预定时长。
在本申请的描述中，术语“内燃机排放控制量预期目标值”定义为相对于催化剂无电加热的情况下内燃机废气排放量来说，排放量预期降低的百分比数值，直接影响内燃机冷启动时间的缩短。这里内燃机废气排放量主要是内燃机在冷启动阶段的废气排放量。“内燃机排放控制量预期目标值”越大，表示期望对内燃机废气排放量的控制越严格，期望内燃机冷启动废气排放量降低得越多，对应的冷启动时间越短。
在本申请实施例中，当所述内燃机排放控制量预期目标值为降低冷启动排放30％至50％之间时，若外界环境温度为25℃，则在内燃机启动之前，所述控制器30能够控制所述电源单元20对所述电加热催化剂11预先供电1秒到2分钟；若外界环境温度为0℃，则在内燃机启动之前，所述控制器30能够控制所述电源单元20对所述电加热催化剂11预先供电1秒到4分钟；若外界环境温度为-30℃，则在内燃机启动之前，所述控制器30能够控制所述电源单元20对所述电加热催化剂11预先供电1秒到30分钟。
在本申请实施例中，如图1所示，所述催化剂系统10可以设置为与内燃机40的废气排放管路50连接。
在本申请实施例中，所述电源单元20的输出电压可以≥48V。
在本申请实施例中，当所述电源单元20的输出电压＞48V时，可以直接使用所述电源单元20的输出电压为所述电加热催化剂11供电。
在本申请实施例中，所述内燃机排放控制系统还可以包括变压器，所述变压器可以设置在所述电加热催化剂11和电源单元20之间。当所述电源单元20的输出电压＞48V时，可以通过所述变压器将输出电压转化为48V，然后对所述电加热催化剂11供电。
在本申请实施例中，所述内燃机排放控制系统还可以包括鼓风设备，所述鼓风设备能够使所述电加热催化剂11的热量加速传导给整个催化剂系统10。所述鼓风设备可以例如风扇、鼓风机、气泵等。
本申请实施例还提供一种车辆，所述车辆可以包括如上所述的内燃机排放控制系统。
在本申请实施例中，所述车辆可以为内燃机车、混动车或增程式车。
在本申请实施例中，所述电源单元可以为所述混动车或所述增程式车的动力电源；所述动力电源可以为在三元锂离子电池的基础上，在阴极的三元材料中加入活性炭，所述活性炭为超级电容采用的活性炭；将阳极设置为多孔微晶石墨，在电解液中添加有温度低于预设温度且粘度低于预设粘度的添加剂。
在本申请实施例中，所述电源单元可以与所述混动车或所述增程式车的动力电源分别设置，所述动力电源可以为三元锂离子电池；所述电源单元可以为在三元锂离子电池的基础上，在阴极的三元材料中加入活性炭，所述活性炭为超级电容采用的活性炭，将阳极设置为多孔微晶石墨，在电解液中添加有温度低于预设温度且粘度低于预设粘度的添加剂；当所述动力电池的温度低于工作温度时，所述内燃机启动后，所述内燃机运行排放气体的热量能够为所述动力电池加热。当然本实施例中，由于所述电源单元可以单独设置，因此车辆也可以为内燃机车。
在本申请实施例中，当所述电源单元20与所述混动车或所述增程式车的动力电源分别设置时，在内燃机启动前，所述电源单元20可以对所述动力电池供电使得所述动力电池被加热至工作温度。
在本申请实施例中，无论将所述电源单元设置为所述混动车或所述增程式车的动力电源，还是单独设置所述电源单元，所述电源单元均可以包括阴极、阳极以及位于所述阴极和所述阳极之间的电解液，阴极可以包括三元锂离子电池阴极采用的三元材料和超级电容采用的活性炭，阳极可以包括多孔微晶石墨，电解液可以包括三元锂离子电池采用的电解液和温度低于预设温度且粘度低于预设粘度的添加剂。
因此，本申请实施例的电源单元可以成为三元锂离子电池和超级电容器的结合体，不但可以具备三元锂离子电池的优点，例如，可以具备与三元锂离子电池相当的能量密度和自放电性能，还可以具备超级电容器的寿命长、良好的低温性能，在低温(例如，-40℃的低温)环境下充放电，更具有高倍率的充放电性能，以及更好的安全性能的优点，而且还可以规避单独的超级电容器的缺点，例如，电能储存时间短，容易跑电等。
目前市场上的电池，包括最先进的锂电池，在低温(例如，<-30℃)环境下输出电能的效率急剧下降，无法有效在冷启动阶段对电加热催化剂进行预加热。但内燃机废气排放控制技术需要满足全部可能的场景，这就包括在低温(例如，<-30℃)环境下对电加热催化剂进行快速预加热，使电加热催化剂有效降低内燃机冷启动阶段的废气排放，从而满足超低排放要求。本申请实施例的电源单元结合了三元锂离子电池和超级电容器的优点，因此可以在低温环境下对电加热催化剂进行快速预先充电和加热。
本申请实施例还提供一种内燃机排放控制方法，所述内燃机排放控制方法可以包括：采用如上所述的内燃机排放控制系统控制内燃机的废气排放量。
在本申请实施例中，所述内燃机排放控制方法可以包括以下步骤：
采用所述催化剂系统10净化所述内燃机排放的废气；以及
采用所述电源单元20存储电能，以及在所述内燃机冷启动前，当所述催化剂系统10的温度低于第一温度时，采用所述电源单元20预先对所述电加热催化剂11供电预定时长，使得所述催化剂系统10能够在设定时长内达到并维持在工作温度。
本申请实施例的内燃机排放控制方法，在内燃机冷启动前，当催化剂系统10的温度低于第一温度时，可以采用电源单元20预先对电加热催化剂11供电预定时长，使得电加热催化剂11被加热，从而带动电加热催化剂11所在的整个催化剂系统10的温度在内燃机启动后能够更加迅速地达到并维持在催化剂系统10的工作温度，从而可以确保从内燃机启动到催化剂系统达到工作温度的时间(即冷启动时间)不超过期望值，实现在内燃机冷启动阶段对内燃机排放的废气的有效处理。另外，本申请实施例的内燃机排放控制控制方法可以在较低的外界环境温度(例如，-40℃)中实现在内燃机冷启动阶段对内燃机排放的废气的有效处理。
在本申请实施例中，如图2所示，所述内燃机排放控制方法可以包括以下步骤：
采用所述催化剂系统10净化所述内燃机排放的废气；以及
采用所述电源单元20存储电能，以及在所述内燃机冷启动前，当所述催化剂系统10的温度低于第一温度时，在-40℃至50℃的外界环境中，采用所述电源单元20预先对所述电加热催化剂11供电预定时长，使得所述催化剂系统10能够在设定时长内达到并维持在工作温度。
在本申请实施例中，所述内燃机排放控制方法还可以包括：采用所述控制器30监测所述催化剂系统10的温度；并且，
在内燃机冷启动前，当所述控制器30监测到的催化剂系统温度低于第一温度时，在-40℃至50℃的外界环境中，采用所述控制器30控制所述电源单元20启动对所述电加热催化剂11供电；以及，
在内燃机启动后，i)当所述控制器30监测到的催化剂系统温度不低于第二温度时，采用所述控制器30控制所述电源单元20停止对所述电加热催化剂11供电；或者ii)当所述控制器30监测到的催化剂系统温度低于所述第二温度时，采用所述控制器30控制所述电源单元20继续对所述电加热催化剂11供电，直至所述控制器30监测到的催化剂系统10温度不低于第二温度时，采用所述控制器30控制所述电源单元20停止对所述电加热催化剂11供电。
在本申请实施例中，所述内燃机排放控制方法还可以包括：
在所述内燃机冷启动前，采用所述控制器30监测所述催化剂系统10的温度，当所述控制器30监测到的催化剂系统10温度低于第一温度时，在-40℃至50℃的外界环境中，采用所述控制器30控制所述电源单元20在预定时长内对所述电加热催化剂11供电使得所述催化剂系统10被加热至所述第一温度；以及
在所述内燃机启动后，i)当所述控制器30监测到的催化剂系统温度不低于第二温度时，采用所述控制器30控制所述电源单元20停止对所述电加热催化剂11供电，采用所述内燃机运行排放气体的热量使所述催化剂系统10达到并维持所述催化剂系统10所需的工作温度；或者ii)当所述控制器30监测到的催化剂系统温度低于所述第二温度时，采用所述控制器30控制所述电源单元20继续对所述电加热催化剂11供电，直至所述控制器30监测到的催化剂系统温度不低于第二温度时，采用所述控制器30控制所述电源单元20停止对所述电加热催化剂11供电，采用所述内燃机运行排放气体的热量使所述催化剂系统10达到并维持所述催化剂系统10所需的工作温度。
在本申请实施例中，所述第一温度和所述第二温度可以各自独立地等于、高于或低于所述催化剂系统的工作温度，并且所述第一温度与所述第二温度可以相同或不同。
在内燃机冷启动前，所述催化剂系统10通过电加热催化剂11已经被加热至第一温度，这样当内燃机冷启动后，可以使催化剂系统10快速达到第二温度；待所述催化剂系统10达到第二温度后，内燃机运行排放气体的热量以及废气中还原性组分(CO和HC)氧化释放的热量可以将所述催化剂系统10维持在所需的工作温度，此时可以通过控制器30控制所述电源单元20停止对所述电加热催化剂11供电，这样既可以实现电源单元20对电加热催化剂11的高效加热，又可以节省电源单元20的电量。
未来更严苛的车辆尾气排放标准(例如，国七、欧七、近零排放等)预期在目前国六b排放限值的基础上再降低30％至50％左右。所以本申请实施例的内燃机排放控制系统和控制方法对电加热催化剂进行加热，包括预加热可以有效缩短内燃机冷启动时间，帮助目前满足国六b排放标准的车辆降低尾气排放以达到国七等更严苛的车辆尾气排放标准。
虽然本申请所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本申请而采用的实施方式，并非用以限定本申请。任何本申请所属领域内的技术人员，在不脱离本申请所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本申请的保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种内燃机排放控制系统，其特征在于，包括：
催化剂系统，所述催化剂系统能够净化内燃机排放的废气；所述催化剂系统包括电加热催化剂；
电源单元，所述电源单元能够存储电能，在内燃机冷启动前，当催化剂系统的温度低于第一温度时，所述电源单元能够预先对所述电加热催化剂供电预定时长，使得所述催化剂系统能够在设定时长内达到并维持在工作温度；
控制器，所述控制器能够控制所述电源单元启动和停止对所述电加热催化剂供电。
2.根据权利要求1所述的内燃机排放控制系统，其中，所述控制器能够监测所述催化剂系统的温度；并且，
在内燃机冷启动前，当所述控制器监测到的催化剂系统温度低于所述第一温度时，所述控制器能够控制所述电源单元启动对所述电加热催化剂供电；以及，
在内燃机启动后，i)当所述控制器监测到的催化剂系统温度不低于第二温度时，所述控制器能够控制所述电源单元停止对所述电加热催化剂供电；或者ii)当所述控制器监测到的催化剂系统温度低于所述第二温度时，所述控制器能够控制所述电源单元继续对所述电加热催化剂供电，直至所述控制器监测到的催化剂系统温度不低于第二温度时，所述控制器能够控制所述电源单元停止对所述电加热催化剂供电。
3.根据权利要求2所述的内燃机排放控制系统，其中，
所述内燃机冷启动前，当所述控制器监测到的所述催化剂系统温度低于所述第一温度时，所述控制器能够控制所述电源单元在预定时长内对所述电加热催化剂供电使得所述催化剂系统被加热至所述第一温度；以及
所述催化剂系统被加热至所述第一温度后，所述内燃机启动后，
i)当所述控制器监测到的催化剂系统温度不低于所述第二温度时，所述控制器能够控制所述电源单元停止对所述电加热催化剂供电，所述内燃机运行排放气体的热量能够使所述催化剂系统达到并维持所述催化剂系统所需的工作温度；或者ii)当所述控制器监测到的催化剂系统温度低于所述第二温度时，所述控制器能够控制所述电源单元继续对所述电加热催化剂供电，直至所述控制器监测到的催化剂系统温度不低于第二温度时，所述控制器能够控制所述电源单元停止对所述电加热催化剂供电，所述内燃机运行排放气体的热量能够使所述催化剂系统达到并维持所述催化剂系统所需的工作温度。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的内燃机排放控制系统，其中，冷启动时内燃机的温度、外界环境温度和内燃机排放控制量预期目标值影响所述电源单元对所述电加热催化剂供电的所述预定时长；冷启动时所述内燃机的温度和/或所述外界环境温度越低，所述内燃机排放控制量预期目标值越高，对所述电加热催化剂供电所需的所述预定时长越长；通过增加所述电加热催化剂的功率，能够减少对所述电加热催化剂供电所需的所述预定时长。
5.根据权利要求4所述的内燃机排放控制系统，其中，当所述内燃机排放控制量预期目标值为降低冷启动排放30％至50％之间时，若外界环境温度为25℃，则在内燃机启动之前，所述控制器能够控制所述电源单元对所述电加热催化剂预先供电1秒到2分钟；若外界环境温度为0℃，则在内燃机启动之前，所述控制器能够控制所述电源单元对所述电加热催化剂预先供电1秒到4分钟；若外界环境温度为-30℃，则在内燃机启动之前，所述控制器能够控制所述电源单元对所述电加热催化剂预先供电1秒到30分钟。
6.一种车辆，其特征在于，包括根据权利要求1至5中任一项所述的内燃机排放控制系统，所述车辆为内燃机车、混动车或增程式车。
7.根据权利要求6所述的车辆，其中，所述电源单元为所述混动车或所述增程式车的动力电源；所述动力电源为在三元锂离子电池的基础上，在阴极的三元材料中加入活性炭，所述活性炭为超级电容采用的活性炭；将阳极设置为多孔微晶石墨，在电解液中添加有温度低于预设温度且粘度低于预设粘度的添加剂。
8.根据权利要求6所述的车辆，其中，
所述电源单元与所述混动车或所述增程式车的动力电源分别设置，所述动力电源为三元锂离子电池；或者所述车辆为内燃机车；
所述电源单元为在三元锂离子电池的基础上，在阴极的三元材料中加入活性炭，所述活性炭为超级电容采用的活性炭，将阳极设置为多孔微晶石墨，在电解液中添加有温度低于预设温度且粘度低于预设粘度的添加剂；当所述动力电池的温度低于工作温度时，所述内燃机启动后，所述内燃机运行排放气体的热量能够为所述动力电池加热。
9.一种内燃机排放控制方法，其特征在于，采用根据权利要求1至5中任一项所述的内燃机排放控制系统控制所述内燃机的废气排放量，包括以下步骤：
采用所述催化剂系统净化所述内燃机排放的废气；以及
采用所述电源单元存储电能，在所述内燃机冷启动前，当催化剂系统的温度低于第一温度时，在-40℃至50℃的外界环境中，采用所述电源单元预先对所述电加热催化剂供电预定时长，使得所述催化剂系统能够在设定时长内达到并维持在工作温度。
10.根据权利要求9所述的内燃机排放控制方法，还包括：
采用所述控制器监测所述催化剂系统的温度；以及
在所述内燃机冷启动前，当所述控制器监测到的催化剂系统温度低于第一温度时，在-40℃至50℃的外界环境中，采用所述控制器控制所述电源单元在预定时长内对所述电加热催化剂供电使得所述催化剂系统被加热至所述第一温度；以及
在所述内燃机启动后，i)当所述控制器监测到的催化剂系统温度不低于第二温度时，采用所述控制器控制所述电源单元停止对所述电加热催化剂供电，采用所述内燃机运行排放气体的热量使所述催化剂系统达到并维持所述催化剂系统所需的工作温度；或者ii)当所述控制器监测到的催化剂系统温度低于所述第二温度时，采用所述控制器控制所述电源单元继续对所述电加热催化剂供电，直至所述控制器监测到的催化剂系统温度不低于第二温度时，采用所述控制器控制所述电源单元停止对所述电加热催化剂供电，采用所述内燃机运行排放气体的热量使所述催化剂系统达到并维持所述催化剂系统所需的工作温度。
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