发动机冷起动排气热流与温度控制的HC吸附系统及方法与流程

发动机冷起动排气热流与温度控制的hc吸附系统及方法
技术领域
1.本发明涉及发动机排气后处理技术领域，具体涉及一种发动机冷起动排气热流与温度控制的hc吸附系统及方法。


背景技术：

2.国内外针对发动机冷起动阶段hc排放，主要应用hc吸附技术。hc吸附技术通常会用到三效催化器和hc吸附器，通过对现有后处理系统中三效催化器的优化升级，提高污染物排放控制能力，但目前三效催化器的技术难度增加，贵金属方案、涂层技术、结构、载体都需要做相应的改进，与发动机的匹配技术难度也增加，同时增加了后处理系统成本。hc吸附器有串联式和并联式，串联式布置的吸附器，没有对发动机冷起动过程中的吸附过程本身进行控制，并联式布置的吸附器，控制发动机冷起动过程中的排气进入吸附器，冷起动结束后排气不再进入吸附器，通过控制排气路径达到控制吸附器吸附时间的目的，也没有对吸附过程本身进行控制，而hc吸附材料的低温吸附性能和高温脱附性能都有待提高。发动机冷起动开始时，排气温度较低，hc排放量大，吸附材料的低温吸附能力不足；冷起动后期，虽然排气温度不断升高，但催化器中催化剂还没有达到起燃温度时，部分hc可能已经开始从吸附材料中脱附，进入催化器，吸附材料的高温性能难以满足要求。


技术实现要素：

3.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的上述缺陷，从而提供一种发动机冷起动排气热流与温度控制的hc吸附系统及方法。
4.本发明提供了一种发动机冷起动排气热流与温度控制的hc吸附系统，包括发动机、hc吸附器和三效催化器，还包括热分流器、热汇流器和热流传递结构；所述热分流器安装在发动机与hc吸附器之间的排气管上，所述热汇流器安装在hc吸附器和三效催化器之间的排气管上，所述热流传递结构连接热分流器和热汇流器。
5.优选地，热分流器用于将排气热量分流进入hc吸附器和热流传递结构，热汇流器用于将hc吸附器和热流传递结构中的排气热量汇流进入三效催化器。
6.优选地，所述热分流器和所述热汇流器采用高热导率的材料、具有高效热传递效率的蜂窝状结构；所述热流传递结构采用保温材料，且内部有高热导率材料。
7.优选地，所述热分流器和所述热汇流器为微型折流板式换热器；所述热流传递结构采用保温材料，且内部有高热导率流体。
8.优选地，所述热分流器和所述热汇流器为微型折流板式换热器，所述热流传递结构为热管。
9.本发明还提供了一种控制发动机冷起动时排气系统中排气温度的方法，所述方法利用上述发动机冷起动排气热流与温度控制的hc吸附系统，具体包括如下步骤：
10.s1：发动机冷起动过程中，排气热量通过热分流器进入hc吸附器和热流传递结构，ф1表示进入热分流器前的排气热量，фz1表示进入hc吸附器的排气热量，фr1表示进入热
流传递结构的排气热量，ф1＝фz1 фr1；
11.s2：排气热量通过hc吸附器和热流传递结构后进入热汇流器，фz2表示通过hc吸附器后进入热汇流器的排气热量，фr2表示通过热流传递结构后进入热汇流器的排气热量，ф2表示通过热汇流器后的排气热量，фz2 фr2＝ф2；
12.s3：排气热量通过热汇流器后，进入三效催化器。
13.优选地，热分流器具有各向异性导热性能，фz1小于фr1，
14.热导率λ
z1
小于热导率λ
r1
，
15.优选地，热汇流器的结构满足：
[0016][0017]
式中，bi为毕渥数，δ为结构特征长度；
[0018]
热汇流器中，热量的汇合满足：
[0019][0020]
式中，热汇流器的体积为v，表面面积为a，t表示热汇流器温度，t
∞
表示进入热汇流器的排气温度，热汇流器内表面传热系数为h。
[0021]
优选地，фz1<ф1，较小的排气热量фz1进入hc吸附器，使hc吸附器的温升速率减慢，能够保持足够长时间的吸附温度和吸附过程。
[0022]
优选地，фz2<ф2，排气热量进入热汇流器后，较大的ф2使进入三效催化器的排气温度升高的速率增大，缩短三效催化器的起燃时间。
[0023]
本发明提供的一种发动机冷起动排气热流与温度控制的hc吸附系统及方法，通过排气热量分流，控制进入hc吸附器的排气温度，进而控制吸附过程本身。排气热量在hc吸附器之前分流，可使冷起动时进入hc吸附器中的热量减少，hc吸附器的温升速率减小，能够保持较长时间的吸附温度；分流的热量在三效催化器前汇合，可增加进入三效催化器的热量，增大三效催化器的温升速率，缩短起燃时间。
附图说明
[0024]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0025]
图1为本发明提供的一种发动机冷起动排气热流与温度控制的hc吸附系统的结构示意图；
[0026]
图2为本发明提供的一种热分流器、热汇流器与热流传递结构的示意图；
[0027]
图3为本发明提供的另一种热分流器、热汇流器与热流传递结构的示意图；
[0028]
图4为本发明提供的另一种热分流器、热汇流器与热流传递结构的示意图。
[0029]
附图标记：1、发动机；2、hc吸附器；3、三效催化器；4、热分流器；5、热汇流器；6、热流传递结构；7、排气管。
具体实施方式
[0030]
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
[0031]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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。
[0032]
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。
[0033]
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
[0034]
实施例1
[0035]
如图1和图2所示，本实施例提供了一种发动机冷起动排气热流与温度控制的hc吸附系统，包括发动机1、hc吸附器2和三效催化器3，还包括热分流器4、热汇流器5和热流传递结构6；所述热分流器4安装在发动机1与hc吸附器2之间的排气管7上，所述热汇流器5安装在hc吸附器2和三效催化器3之间的排气管7上，所述热流传递结构6连接热分流器4和热汇流器5。热分流器4用于将排气热量分流进入hc吸附器2和热流传递结构6，热汇流器5用于将hc吸附器2和热流传递结构6中的排气热量汇流进入三效催化器3。所述热分流器4和所述热汇流器5采用高热导率的材料、具有高效热传递效率的蜂窝状结构；所述热流传递结构6采用保温材料，且内部有高热导率材料。
[0036]
在本实施例中，发动机1冷起动过程中，排气通过热分流器4，其作用是使排气热量分流，忽略热分流器4自身的热容量，有ф1＝фz1 фr1，фz1<ф1，进入hc吸附器2的排气热量фz1减少，排气温度升高的速率变小，使hc吸附器2能够保持足够长时间的吸附温度，完成排气中hc的吸附。另一部分热量фr1进入热流传递结构6，再传递到热汇流器5。
[0037]
排气热量通过热汇流器5后，其作用是使排气热量汇聚，即фz2 фr2＝ф2，фz2<ф2，热汇流器后较大的ф2可以使进入三效催化器3的排气温度升高的速率增大，缩短三效催化器3的起燃时间。
[0038]
热流传递结构6的作用是，对фr1进行高效快速的热量传递。设热分流器4处的排气温度为t1、热汇流器5处的排气温度为t2，t1>t2。尽可能的减少热传递过程中的热损失，使фr1与фr2大小基本相等，即фr1≈фr2。
[0039]
将热分流器4设计成一个具有各向异性导热性能的热分流器，通过材料和结构实现，由导热基本定律：
[0040]
[0041]
材料及结构要求：
①
在z方向的热流量фz1较小，可表示为
[0042][0043]
因此，热导率λ
z1
应较小，而z方向的结构尺寸较大，即较小。
[0044]
②
在r方向的热流量фr1较大，可表示为
[0045][0046]
因此，热导率λ
r1
应较大，而r方向的结构尺寸较小，即较大。
[0047]
经过热分流器4后，较小的排气热流量фz1沿排气管进入hc吸附器2，使hc吸附器2的温升速率减慢，能够保持较长时间的吸附温度和吸附过程。
[0048]
与此对应的较大的排气热量фz2沿热流传递结构6传递至热汇流器5，热流传递结构6要求采用在传热方向、相比于排气热导率，具有足够大的热导率的材料与结构，而其他方向的热导率接近于零，既可以保证热量的快速传递，也可以防止热量的损失。也就是热量按照图1中的箭头所标识方向传递，且фr1≈фr2。
[0049]
热汇流器5的作用是，使通过hc吸附器2后的排气热量фz2与通过热流传递结构6的热量фr2汇合，即фz2 фr2＝ф2。热汇流器5应使用具有较大的热扩散率a的材料和结构，由
[0050][0051]
式中，λ为材料热导率；ρ为材料密度；c为材料比热容。
[0052]
应选择λ较大、而ρ、c较小的各向同性材料。热汇流器5结构满足：
[0053][0054]
式中，bi为毕渥数；δ为结构特征长度。
[0055]
热汇流器5中，热量的汇合满足：
[0056][0057]
式中，热汇流器5的体积为v，表面面积为a，t表示热汇流器温度，t
∞
表示进入热汇流器5的排气温度，热汇流器5内表面传热系数h，由此可确定，排气通过热流汇器5后的温度与热量。
[0058]
在本实施例中，由热分流器4、热汇流器5和热流传递结构6组成的排气热流与温度控制系统还可以采取多次分流与汇合的方式，对排气温度进行控制，优化排气后处理系统的性能。
[0059]
排气经热汇流器5后，进入三效催化器3。由热分流器4、热汇流器5和热流传递结构6组成的排气热流与温度控制系统，控制了hc吸附器2的吸附温度。经热汇流器5后的排气比没有采用热分流器4、热汇流器5和热流传递结构6组成的排气热流与温度控制系统时，携带
了更多的热量，使进入三效催化器3的排气温度更高，有利于三效催化器3快速达到起燃温度，缩短起燃时间。
[0060]
实施例2
[0061]
如图1和图3所示，本实施例提供了一种发动机冷起动排气热流与温度控制的hc吸附系统，包括发动机1、hc吸附器2和三效催化器3，还包括热分流器4、热汇流器5和热流传递结构6；所述热分流器4安装在发动机1与hc吸附器2之间的排气管7上，所述热汇流器5安装在hc吸附器2和三效催化器3之间的排气管7上，所述热流传递结构6连接热分流器4和热汇流器5。热分流器4用于将排气热量分流进入hc吸附器2和热流传递结构6，热汇流器5用于将hc吸附器2和热流传递结构6中的排气热量汇流进入三效催化器3。所述热分流器4和所述热汇流器5为微型折流板式换热器；所述热流传递结构6采用保温材料，且内部有高热导率流体。
[0062]
在本实施例中，发动机1冷起动过程中，排气通过热分流器4，其作用是使排气热量分流，忽略热分流器4自身的热容量，有ф1＝фz1 фr1，фz1<ф1，进入hc吸附器2的排气热量фz1减少，排气温度升高的速率变小，使hc吸附器2能够保持足够长时间的吸附温度，完成排气中hc的吸附。另一部分热量фr1进入热流传递结构6，再传递到热汇流器5。
[0063]
排气通过热汇流器5后，其作用是使排气热量汇聚，即фz2 фr2＝ф2，фz2<ф2，热汇流器后较大的ф2可以使进入三效催化器3的排气温度升高的速率增大，缩短三效催化器3的起燃时间。
[0064]
热流传递结构6的作用是，对фr1进行高效快速的热量传递。设热分流器4处的排气温度为t1、热汇流器5处的排气温度为t2，t1>t2。尽可能的减少热传递过程中的热损失，使фr1与фr2大小基本相等，即фr1≈фr2。
[0065]
将热分流器4设计成微型折流板式换热器，有
[0066]
δφ＝kaδt
m
[0067]
则φ
z1
＝φ1‑
δφ
[0068]
φ
r1
＝δφ
[0069]
与此对应的较大的排气热量фz2沿热流传递结构6传递至热汇流器5，热流传递结构6要求采用在传热方向、相比于排气热导率，具有足够大的热导率的材料与结构，而其他方向的热导率接近于零，既可以保证热量的快速传递，也可以防止热量的损失。也就是热量按照图1中的箭头所标识方向传递，且фr1≈фr2。热汇流器5同样也可设计成微型折流板式换热器。
[0070]
在本实施例中，由热分流器4、热汇流器5和热流传递结构6组成的排气热流与温度控制系统还可以采取多次分流与汇合的方式，对排气温度进行控制，优化排气后处理系统的性能。
[0071]
排气经热汇流器5后，进入三效催化器3。由热分流器4、热汇流器5和热流传递结构6组成的排气热流与温度控制系统，控制了hc吸附器2的吸附温度。经热汇流器5后的排气比没有采用热分流器4、热汇流器5和热流传递结构6组成的排气热流与温度控制系统时，携带了更多的热量，使进入三效催化器3的排气温度更高，有利于三效催化器3快速达到起燃温度，缩短起燃时间。
[0072]
实施例3
[0073]
如图1和图4所示，本实施例提供了一种发动机冷起动排气热流与温度控制的hc吸附系统，包括发动机1、hc吸附器2和三效催化器3，还包括热分流器4、热汇流器5和热流传递结构6；所述热分流器4安装在发动机1与hc吸附器2之间的排气管7上，所述热汇流器5安装在hc吸附器2和三效催化器3之间的排气管7上，所述热流传递结构6连接热分流器4和热汇流器5。热分流器4用于将排气热量分流进入hc吸附器2和热流传递结构6，热汇流器5用于将hc吸附器2和热流传递结构6中的排气热量汇流进入三效催化器3。所述热分流器4和所述热汇流器5为微型折流板式换热器，所述热流传递结构6为热管。
[0074]
在本实施例中，发动机1冷起动过程中，排气通过热分流器4，其作用是使排气热量分流，忽略热分流器4自身的热容量，有ф1＝фz1 фr1，фz1<ф1，进入hc吸附器2的排气热量фz1减少，排气温度升高的速率变小，使hc吸附器2能够保持足够长时间的吸附温度，完成排气中hc的吸附。另一部分热量фr1进入热流传递结构6，再传递到热汇流器5。
[0075]
排气通过热汇流器5后，其作用是使排气热量汇聚，即фz2 фr2＝ф2，фz2<ф2，热汇流器后较大的ф2可以使进入三效催化器3的排气温度升高的速率增大，缩短三效催化器3的起燃时间。
[0076]
热流传递结构6的作用是，对фr1进行高效快速的热量传递。设热分流器4处的排气温度为t1、热汇流器5处的排气温度为t2，t1>t2。尽可能的减少热传递过程中的热损失，使фr1与фr2大小基本相等，即фr1≈фr2。
[0077]
将热分流器4设计成微型折流板式换热器，有
[0078]
δφ＝kaδt
m
[0079]
则φ
z1
＝φ1‑
δφ
[0080]
φ
r1
＝δφ
[0081]
与此对应的较大的排气热量фz2沿热流传递结构6传递至热汇流器5，热流传递结构6要求采用在传热方向、相比于排气热导率，具有足够大的热导率的材料与结构，而其他方向的热导率接近于零，既可以保证热量的快速传递，也可以防止热量的损失。也就是热量按照图1中的箭头所标识方向传递，且фr1≈фr2。热汇流器5同样也可设计成微型折流板式换热器。
[0082]
在本实施例中，由热分流器4、热汇流器5和热流传递结构6组成的排气热流与温度控制系统还可以采取多次分流与汇合的方式，对排气温度进行控制，优化排气后处理系统的性能。
[0083]
排气经热汇流器5后，进入三效催化器3。由热分流器4、热汇流器5和热流传递结构6组成的排气热流与温度控制系统，控制了hc吸附器2的吸附温度。经热汇流器5后的排气比没有采用热分流器4、热汇流器5和热流传递结构6组成的排气热流与温度控制系统时，携带了更多的热量，使进入三效催化器3的排气温度更高，有利于三效催化器3快速达到起燃温度，缩短起燃时间。
[0084]
实施例4
[0085]
本实施例提供了一种控制发动机冷起动时排气系统中排气温度的方法，所述方法利用上述发动机冷起动排气热流与温度控制的hc吸附系统，具体包括如下步骤：
[0086]
s1：发动机1冷起动过程中，排气热量通过热分流器4进入hc吸附器2和热流传递结构6，ф1表示进入热分流器4前的排气热量，фz1表示进入hc吸附器2的排气热量，фr1表示
进入热流传递结构6的排气热量，ф1＝фz1 фr1；
[0087]
s2：排气热量通过hc吸附器2和热流传递结构6后进入热汇流器5，фz2表示通过hc吸附器2后进入热汇流器5的排气热量，фr2表示通过热流传递结构6后进入热汇流器5的排气热量，ф2表示通过热汇流器5后的排气热量，фz2 фr2＝ф2；
[0088]
s3：排气热量通过热汇流器5后，进入三效催化器3。
[0089]
фz1<ф1，较小的排气热量фz1进入hc吸附器2，使hc吸附器2的温升速率减慢，能够保持足够长时间的吸附温度和吸附过程。
[0090]
фz2<ф2，排气进入热汇流器5后，较大的ф2使进入三效催化器3的排气温度升高的速率增大，缩短三效催化器3的起燃时间。
[0091]
在本实施例中，通过排气热量分流，控制进入hc吸附器2的排气温度，进而控制吸附过程本身。排气热量在hc吸附器2之前分流，可使冷起动时进入hc吸附器2中的热量减少，hc吸附器2的温升速率减小，能够保持较长时间的吸附温度；分流的热量在三效催化器3前汇合，可增加进入三效催化器3的热量，增大三效催化器3的温升速率，缩短起燃时间。
[0092]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。