CN116136187A - 一种小型通用汽油机二次空气喷射方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小型通用汽油机二次空气喷射方法，本发明电电子控制单元根据排气净化器入口端排气中氧气浓度信号，判断此时排气中的过量空气系数，输出对应的占空比PWM信号，控制执行机构的开闭动作。若过量空气系数在预设数值范围内，电子控制单元输出预设占空比PWM信号，控制执行机构动作，将来自微型空气泵的适量空气通过喷射机构喷入净化器上游排气管中；若过量空气系数大于预设数值范围，PWM信号控制执行机构关闭；若过量空气系数小于预设数值范围，输出100％占空比的PWM信号，控制执行机构喷射最大量的空气量。本发明动态调节执行机构的动作，调节二次空气喷射量大小，以达到动态调节排气中过量空气系数的目的。
Description
技术领域
本发明涉及汽油机尾气净化技术领域，特别是涉及一种小型通用汽油机二次空气喷射方法。
背景技术
小型通用汽油机结构紧凑、价格低廉，广泛用于非道路移动机械动力源，如小型发电机组、小型耕作机械、园林植保机械等。近年来小型通用汽油机销售量迅速增加，据《中国内燃机工业年鉴》统计，2018年我国通用小型汽油机销售量共3112.9万台，占当年内燃机销售总额的38.21％，超过车用内燃机销售总额。
小型通用汽油机考虑到经济性，目前大多是化油器式。据美国EPA认证统计，2022年美国EPA认证的小型通用汽油机共1557台，其中化油器式汽油机1438台，占比达92.4％。一般情况下，小型通用汽油机为保证发动机的功率和工作稳定性，化油器供给的混合气浓度较浓，且不如电控燃油喷射系统稳定，导致其排放性能十分恶劣，CO、NOx等污染物排放严重。随着环保意识的加强，美国、欧盟、日本、加拿大、中国等国家和地区相续颁布并不断加严了排放法规，小型汽油机的污染物排放问题逐渐受到重视。车用汽油机已广泛采用电控燃油喷射加排气催化净化手段，可以高效净化污染物排放。三元催化净化器的净化效率对过量空气系数十分敏感，只有工作条件在过量空气系数等于1±0.05的窗口内，CO、HC、NOx三种气态污染物均有较高的净化效率。但先进的电喷技术由于成本较高，目前尚未能在低廉的小型通用汽油机上大量应用，预估今后一段时期依然如此。小型通用汽油机由于混合气较浓，直接应用三元催化净化器的净化效果很差。
现有技术公开了一种车辆尾气净化复合电子控制装置，包括发动机废气再循环EGR电控子系统和空气喷射电子控制子系统，EGR电控子系统包括至少一条连接排气管与发动机进气管的旁路管道；空气喷射电子控制子系统包括空气压缩泵和至少一条连接空气压缩泵与排气管的空气进气管道，EGR电控子系统中，旁路管道中至少设有一个高频电磁阀，所述旁路管道与发动机进气管连接点位于节气门之后；空气喷射电子控制子系统中，每条空气进气管道中至少设有一个高频电磁阀，空气进气管道与排气管连接点位于EGR电控子系统的旁路管道与排气管的连接点之前。该现有技术不能实时监测氧气浓度，不能实时动态调节空气喷射量大小，三元催化器净化效果较差。
发明内容
本发明的目的是：提供一种小型通用汽油机二次空气喷射方法，实现对排气中氧气浓度实时监测，动态调节二次空气喷射量，使净化器处于高效净化工作区间内，提高净化效果。
为了实现上述目的，本发明提供了一种小型通用汽油机二次空气喷射方法，其特征在于通过二次空气喷射系统动态调节二次空气喷射量，实现排气中过量空气系数的控制，二次空气喷射系统包括有传感器、电子控制单元、执行机构、微型空气泵、净化器和喷射机构，二次空气喷射方法包括如下步骤：
S1、传感器检测发动机启动后的发动机节气门位置信号、发动机曲轴转速信号及发动机排气净化器入口端排气中的氧气浓度信号，并将这些信号传输给电子控制单元；
S2、电子控制单元根据发动机曲轴转速信号和发动机节气门位置信号查询电子控制单元中存储的优化标定后的二次空气喷射占空比，同时，电子控制单元将氧气浓度信号进行A/D转换、并根据A/D转换后的数值判断此时排气中的过量空气系数，若过量空气系数在预设数值范围内，则电子控制单元根据查询的二次空气喷射占空比输出预设占空比PWM信号，PWM信号控制执行机构动作，将来自微型空气泵的适量空气通过喷射机构喷入净化器上游的排气管中，提供净化器工作所需空气，返回步骤S1；若过量空气系数超出预设数值范围，则执行步骤S3；
S3、电子控制单元判断过量空气系数是否大于或小于预设数值范围，如果过量空气系数大于预设数值范围，则电子控制单元输出0％占空比PWM信号，PWM信号控制执行机构关闭，不把空气喷入净化器上游的排气管中；如果过量空气系数小于预设数值范围，则电子控制单元输出100％占空比PWM信号，PWM信号控制执行机构动作，将来自微型空气泵的最大量空气通过喷射机构喷入净化器上游的排气管中，提供净化器工作所需空气；
S4、重复执行步骤S1-S3，电子控制单元对下一个脉冲循环中PWM信号占空比进行调节，动态控制下一个脉冲循环中二次空气喷射量，使净化器入口端排气中的过量空气系数保持在预设的范围。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：电子控制单元根据发动机曲轴转速信号和发动机节气门位置信号查询其存储的优化标定后的二次空气喷射占空比，同时，电子控制单元将氧气浓度信号进行A/D转换、并根据A/D转换后的数值判断此时排气中的过量空气系数。若过量空气系数在预设数值范围内，则电子控制单元根据查询的二次空气喷射占空比输出预设占空比PWM信号，PWM信号控制执行机构动作，将来自微型空气泵的适量空气通过喷射机构喷入净化器上游的排气管中，提供净化器工作所需空气；若过量空气系数超出预设数值范围，则电子控制单元通过输出预设占空比PWM信号，由PWM信号控制执行机构是否动作，以控制将来自微型空气泵的空气是否通过喷射机构喷入净化器上游的排气管中。本发明动态调节执行机构的动作，以达到精准动态调节二次空气喷射量大小的目的，使净化器入口端排气中过量空气系数始终保持1±0.05的窗口内，大幅提高净化器的净化效果，实现过量空气系数闭环控制，满足CO、HC、NOx均有较高净化效率的要求。
附图说明
图1是本发明实施例提出的一种小型通用汽油机二次空气喷射方法的流程图；
图2是本发明实施例的小型通用汽油机二次空气喷射系统结构及排放测试系统示意图；
图3是本发明实施例原机与加装闭环电控二次空气喷射系统后过量空气系数对比图；
图4是本发明实施例100％负荷下CO排放速率与过量空气系数拟合曲线；
图5是本发明实施例原机与加装闭环电控二次空气喷射系统后污染物排放对比图。
图中，1、发动机；2、排气管；3、净化器；4、氧传感器；5、喷射机构；6、电磁阀；7、电子控制单元；8、继电器；9、微型空气泵；10、节气门位置传感器；11、曲轴转速传感器；12、弹性联轴器；13、发电机；14、用电负载；15、功耗测量仪；16、排气分析仪；17、流量计。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
实施例1：
如图1所示，本发明实施例为一种适用于混合气偏浓的化油器式小型通用汽油机的二次空气喷射方法，通过二次空气喷射系统实现，二次空气喷射系统包括有传感器、电子控制单元7、执行机构、微型空气泵9、净化器3和喷射机构5。二次空气喷射方法包括如下步骤：
S1、传感器检测发动机1启动后的发动机节气门位置信号、发动机曲轴转速信号及发动机排气净化器3入口端排气中的氧气浓度信号，并将这些信号传输给电子控制单元7；
S2、电子控制单元7根据发动机曲轴转速信号和发动机节气门位置信号查询电子控制单元7中存储的优化标定后的二次空气喷射占空比，同时，电子控制单元7将氧气浓度信号进行A/D转换、并根据A/D转换后的数值判断此时排气中的过量空气系数，若过量空气系数在预设数值范围内，则电子控制单元7根据查询的二次空气喷射占空比输出预设占空比PWM信号，PWM信号控制执行机构动作，将来自微型空气泵9的适量空气通过喷射机构5喷入净化器3上游的排气管中，提供净化器3工作所需空气，返回步骤S1；若过量空气系数超出预设数值范围，则执行步骤S3；
S3、电子控制单元7判断过量空气系数是否大于或小于预设数值范围，如果过量空气系数大于预设数值范围，则电子控制单元7输出0％占空比PWM信号，PWM信号控制执行机构关闭，不把空气喷入净化器3上游的排气管中；如果过量空气系数小于预设数值范围，则电子控制单元7输出100％占空比PWM信号，PWM信号控制执行机构动作，将来自微型空气泵9的最大量空气通过喷射机构5喷入净化器3上游的排气管中，提供净化器3工作所需空气；
S4、重复执行步骤S1-S3，电子控制单元7对下一个脉冲循环中PWM信号占空比进行调节，动态控制下一个脉冲循环中二次空气喷射量，使净化器3入口端排气中的过量空气系数保持在预设的范围。
所述执行机构包括继电器8和电磁阀6，所述电子控制单元7的输入端与所述传感器的输出端连接，所述电子控制单元7的输出端与所述执行机构的所述继电器8的控制端连接，所述继电器8的信号输出端与所述电磁阀6的控制端连接，所述电磁阀6的进气口与所述微型空气泵9的出气口连接，所述电磁阀6的出气口与所述喷射机构5连接，所述微型空气泵9的高压空气通过所述电磁阀6及所述喷射机构5喷入排气管2中；本实施例中，电磁阀6为二位三通气动高频电磁阀，具有开、关两种电路状态，占空比通过继电器受电子控制单元7控制，包括进气口、出气口、排气口三路气路通口。
在步骤S2中，若过量空气系数在预设数值范围内，则电子控制单元7查询优化标定后的二次空气喷射占空比，输出预设占空比PWM信号，PWM信号控制继电器8接通，使电磁阀6动作，其进气口、出气口处于打开状态，并调节其开闭时长，将来自微型空气泵9的适量空气通过喷射机构5喷入净化器3上游的排气管中，提供净化器3工作所需空气。
在步骤S3中，电子控制单元7判断过量空气系数是否大于或小于预设数值范围，如果过量空气系数大于预设数值范围，则电子控制单元7输出0％占空比PWM信号，PWM信号控制继电器8断电，使电磁阀6处于关闭状态，其进气口、出气口关闭，不把空气喷入净化器3上游排气管中；如果过量空气系数小于预设数值范围，则电子控制单元7输出100％占空比PWM信号，PWM信号控制继电器8接通，使电磁阀6动作，其进气口、出气口处于打开状态，将来自微型空气泵9的最大量空气通过喷射机构5喷入净化器3上游的排气管中，提供净化器3工作所需空气。
本实施例中，在步骤S2中，所述传感器包括有节气门位置传感器10、曲轴转速传感器11和氧传感器4，所述节气门位置传感器10装设在发动机的节气门位置上，用于检测发动机节气门开度的大小，所述曲轴转速传感器11装设在发动机的曲轴附近发动机机体上，用于检测发动机曲轴转速的大小，所述氧传感器4装设在所述净化器3入口端排气管2上，用于检测净化器3入口端排气中的氧气浓度，所述节气门位置传感器10、曲轴转速传感器11和氧传感器4的输出端与所述电子控制单元7的输入端连接。
本实施例中，在步骤S2中，所述优化标定后的二次空气喷射占空比根据发动机排放试验标定优化确定。不同型式的发动机运行特性、排放性能不同，根据不同型式的发动机排放测试试验工况，进行发动机排放测试试验，标定优化得出不同工况下对应的最佳二次空气喷射量(即不同转速、节气门开度对应的最佳二次空气喷射量)。
本实施例中，在步骤S3中，所述喷射机构5是二次空气喷射管，二次空气喷射管的空气入口与微型空气泵9空气出口连接，二次空气喷射管的空气出口与净化器3上游的排气管2相通；所述二次空气喷射管的几何中心线与排气管2的顺流夹角为30°，二次空气喷射管的空气出口与排气管2的内壁平齐。
本实施例中，在步骤S2中，过量空气系数是1±0.05。
本实施例中，在步骤S3中，所述微型空气泵9的出口压力应大于0.04Mpa，出气量大于40L/min。
在步骤S4中，所述净化器3为三元催化净化器，其最佳工作范围为排气管2中排气过量空气系数在1±0.05的窗口内，即三元催化净化器高效净化区间内。
本实施例的工作原理如下：电子控制单元7根据节气门位置信号和转速信号，判断发动机工况，查询电子控制单元7中储存的优化标定后的二次空气喷射占空比，同时，安装在三元催化净化器入口处的氧传感器，实时检测排气中氧气浓度，输送信号给电子控制单元7，电子控制单元7经过A/D转换后，根据数值判断此时排气中过量空气系数，若在预设范围内，则根据查询的二次空气喷射占空比输出预设占空比PWM信号，PWM信号控制继电器8的通断，继电器8控制电磁阀6的开闭，将来自微型空气泵9的适量空气通过二次空气喷射管喷入三元催化净化器上游的排气管2中，提供三元催化净化器工作所需空气，若超出预设范围，则对下一个脉冲循环中PWM信号占空比进行增大或者减小，以控制下一个脉冲循环中二次空气喷射量，达到精准动态调节二次空气喷射量大小的目的，使三元催化净化器入口的排气中过量空气系数始终保持1±0.05的窗口内，即三元催化净化器高效净化工作区间内，大幅提高三元催化净化器净化效果，实现过量空气系数闭环控制，满足CO、HC、NOx均有较高净化效率的要求。
图3所示，为实施例原机与加装闭环电控二次空气喷射系统后，过量空气系数比较。在小负荷时CO排放较高，NOx排放较低，二次空气喷射系统调节过量空气系数在1-1.05的区间内以提高三元催化净化器对CO、HC的净化效率；在中大负荷时，NOx排放较高，调节过量空气系数在0.95-1的区间内以提高三元催化净化器对NOx的净化效率；这种精准动态的二次空气喷射调节方式目的是使TWC对CO、HC和NOx三种污染物均达到较高的净化效果。
实施例2：
本实施例中，在实施例1的基础上，所述二次空气喷射占空比优化标定确定方法可以是如下过程：
发动机各工况下，调节二次空气喷射量，测试对应过量空气系数与排气中CO、HC、NOx成分等的排放速率，建立过量空气系数与CO、HC、NOx排放速率的拟合模型，采用优化算法优化得出各工况最佳过量空气系数与对应的二次空气最佳喷射量，求出二次空气喷射占空比，即为二次空气喷射占空比标定结果。
拟合模型建模与优化方法多种多样，可根据实际情况自行选用，这里结合实施例进行说明，提供一种方法参考。
采用RBF神经网络算法建立各工况下过量空气系数与排气中CO、HC、NOx成分的排放速率拟合模型。以100％负荷为例，得出过量空气系数与CO排放速率关系拟合结果——拟合曲线如图4所示。其它工况、其它污染物排放速率拟合曲线同理得出。
优化目标为CO、HC、NOx综合排放最低，采用多岛遗传算法寻优，得出各工况最佳过量空气系数，及对应的二次空气最佳喷射量，求出二次空气喷射占空比PWM标定结果，见表A，列出了六种工况对应的最佳二次空气喷射占空比PWM。
表A二次空气喷射占空比优化结果
图5为实施例原机与加装闭环电控二次空气喷射系统后排气污染物排放值测试结果对比图，结果表明，使用本发明的闭环电控二次空气喷射系统，并耦合三元催化净化器后，在不改变发动机主体结构前提下，显著降低了汽油机的排气污染物排放，污染物排放远低于美国EPA第III阶段排放标准，达到了预期目标。
实施例3：
图2是本实施例排放测试设备联接示意图，主要试验设备包括弹性联轴器12、发电机13、用电负载14、功耗测量仪15、排气分析仪16、流量计17等，将发动机1的飞轮通过弹性联轴器12与发电机13的转轴连接，发电机13输出电功率给用电负载14。采用排气分析仪16进行实施例发动机排气中气体污染物成分浓度的测量，其中排气成分CO、HC、CO2、NO、NO2成分应用不分光红外原理检测，O2成分采用电化学原理检测；采用流量计17测试排气流量等数据；功耗测量仪15测量用电负载14的实际功率。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种小型通用汽油机二次空气喷射方法，其特征在于通过二次空气喷射系统动态调节二次空气喷射量，实现排气中过量空气系数的控制，二次空气喷射系统包括有传感器、电子控制单元(7)、执行机构、微型空气泵(9)、净化器(3)和喷射机构(5)，二次空气喷射方法包括如下步骤：
S1、传感器检测发动机(1)启动后的发动机节气门位置信号、发动机曲轴转速信号及发动机排气净化器(3)入口端排气中的氧气浓度信号，并将这些信号传输给电子控制单元(7)；
S2、电子控制单元(7)根据发动机曲轴转速信号和发动机节气门位置信号查询电子控制单元(7)中存储的优化标定后的二次空气喷射占空比，同时，电子控制单元(7)将氧气浓度信号进行A/D转换、并根据A/D转换后的数值判断此时排气中的过量空气系数，若过量空气系数在预设数值范围内，则电子控制单元(7)根据查询的二次空气喷射占空比输出预设占空比PWM信号，PWM信号控制执行机构动作，将来自微型空气泵(9)的适量空气通过喷射机构(5)喷入净化器(3)上游的排气管中，提供净化器(3)工作所需空气，返回步骤S1；若过量空气系数超出预设数值范围，则执行步骤S3；
S3、电子控制单元(7)判断过量空气系数是否大于或小于预设数值范围，如果过量空气系数大于预设数值范围，则电子控制单元(7)输出0％占空比PWM信号，PWM信号控制执行机构关闭，不把空气喷入净化器(3)上游的排气管中；如果过量空气系数小于预设数值范围，则电子控制单元(7)输出100％占空比PWM信号，PWM信号控制执行机构动作，将来自微型空气泵(9)的最大量空气通过喷射机构(5)喷入净化器(3)上游的排气管中，提供净化器(3)工作所需空气；
S4、重复执行步骤S1-S3，电子控制单元(7)对下一个脉冲循环中PWM信号占空比进行调节，动态控制下一个脉冲循环中二次空气喷射量，使净化器(3)入口端排气中的过量空气系数保持在预设的范围。
2.根据权利要求1所述的一种小型通用汽油机二次空气喷射方法，其特征在于，所述执行机构包括继电器(8)和电磁阀(6)，所述电子控制单元(7)的输入端与所述传感器的输出端连接，所述电子控制单元(7)的输出端与所述执行机构的所述继电器(8)的控制端连接，所述继电器(8)的信号输出端与所述电磁阀(6)的控制端连接，所述电磁阀(6)的进气口与所述微型空气泵(9)的出气口连接，所述电磁阀(6)的出气口与所述喷射机构(5)连接，所述微型空气泵(9)的高压空气通过所述电磁阀(6)及所述喷射机构(5)喷入排气管(2)中；
在步骤S2中，若过量空气系数在预设数值范围内，则电子控制单元(7)查询优化标定后的二次空气喷射占空比，输出预设占空比PWM信号，PWM信号控制继电器(8)接通，使电磁阀(6)动作，其进气口、出气口处于打开状态，将来自微型空气泵(9)的适量空气通过喷射机构(5)喷入净化器(3)上游的排气管中，提供净化器(3)工作所需空气；
在步骤S3中，电子控制单元(7)判断过量空气系数是否大于或小于预设数值范围，如果过量空气系数大于预设数值范围，则电子控制单元(7)输出0％占空比PWM信号，PWM信号控制继电器(8)断电，使电磁阀(6)处于关闭状态，其进气口、出气口关闭，不把空气喷入净化器(3)上游的排气管中；如果过量空气系数小于预设数值范围，则电子控制单元(7)输出100％占空比PWM信号，PWM信号控制继电器(8)接通，使电磁阀(6)动作，其进气口、出气口处于打开状态，将来自微型空气泵(9)的最大量空气通过喷射机构(5)喷入净化器(3)上游的排气管中，提供净化器(3)工作所需空气。
3.根据权利要求1所述的一种小型通用汽油机二次空气喷射方法，其特征在于，在步骤S2中，所述传感器包括有节气门位置传感器(10)、曲轴转速传感器(11)和氧传感器(4)，所述节气门位置传感器(10)装设在发动机的节气门位置上，用于检测发动机节气门开度的大小，所述曲轴转速传感器(11)装设在发动机的曲轴附近的发动机机体上，用于检测发动机曲轴转速的大小，所述氧传感器(4)装设在排气管(2)上、位于所述净化器(3)的入口端，用于检测净化器(3)入口端的氧气浓度，所述节气门位置传感器(10)、曲轴转速传感器(11)和氧传感器(4)的输出端与所述电子控制单元(7)的输入端连接。
4.根据权利要求2所述的一种小型通用汽油机二次空气喷射方法，其特征在于，在步骤S2中，所述优化标定后的二次空气喷射占空比根据发动机排放试验标定优化确定。
5.根据权利要求4所述的一种小型通用汽油机二次空气喷射占空比优化标定，根据发动机排放试验标定优化确定，其特征在于，试验标定优化方法为：
发动机各工况下，调节二次空气喷射量，测试对应过量空气系数与排气中CO、HC、NOx成分等的排放速率，建立过量空气系数与CO、HC、NOx排放速率的拟合模型，采用优化算法优化得出各工况最佳过量空气系数与对应的二次空气最佳喷射量，求出二次空气喷射占空比，即为二次空气喷射占空比标定结果。
6.根据权利要求1所述的一种小型通用汽油机二次空气喷射方法，其特征在于，在步骤S3中，所述喷射机构(5)是二次空气喷射管，二次空气喷射管的空气入口与微型空气泵(9)空气出口连接，二次空气喷射管的空气出口与净化器(3)上游的排气管(2)相通。
7.根据权利要求6所述的一种小型通用汽油机二次空气喷射方法，其特征在于，所述二次空气喷射管的几何中心线与排气管(2)的顺流夹角为30°，二次空气喷射管的空气出口与排气管(2)的内壁平齐。
8.根据权利要求1至7任一项所述的一种小型通用汽油机二次空气喷射方法，其特征在于，在步骤S2中，过量空气系数是1±0.05。
9.根据权利要求7所述的一种小型通用汽油机二次空气喷射方法，其特征在于，在步骤S3中，所述微型空气泵(9)的出口压力大于0.04Mpa，出气量大于40L/min。
10.根据权利要求7所述的一种小型通用汽油机二次空气喷射方法，其特征在于，在步骤S4中，所述净化器(3)为三元催化净化器，其最佳工作范围为入口端排气过量空气系数在1±0.05的窗口内，即三元催化净化器高效净化区间内。
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