一种三元催化器旁通节油减排装置及控制方法与流程

1.本发明涉及当量比燃烧汽油发动机机外节油减排装置及控制方法，具体为一种三元催化器旁通节油减排装置及控制方法。


背景技术：

2.当前大多数技术很难兼顾节能与减排两项指标，常规的机内净化技术在当前排放法规下都难以脱离后处理而独立应用。废气再循环、喷水、稀薄燃烧等技术作为汽油机提升热效率、降低排放的有力手段，能表现出很好的燃油经济型，但为了满足排放法规，仍然依赖于后处理技术，且稀薄燃烧所匹配的后处理系统及控制策略更复杂，成本更高。目前国内暂无受市场高度认可的完整技术解决方案。且通过燃烧优化提升热效率和降低排放的方式往往需要耗费大量科研资源完成仿真、试验等研究工作。
3.当前国内乘用车动力总成主体依然是均质当量比燃烧汽油发动机，虽然电动化、电气化已成为当前研究重点及未来发展方向，但传统汽油车与电动汽车在未来较长时间内仍将共存，且作为过渡阶段的油电混合动力汽车在未来仍会占有相当的市场份额，混合动力依然无法离开后处理技术。所以，后处理技术和应用的深度挖掘对降低油耗、污染物排放以及整车生产制造成本依然具有重要现实意义。
4.在车辆滑行或减速工况通过对发动机熄火停机，同样可以在节省燃油的同时避免未经燃烧的新鲜空气流经后处理系统，催化器得以保持储氧平衡状态。
5.断油熄火停机期间发动机转速为0rpm，此时发动机和变速箱连接的离合器处于断开状态，发动机不能提供额外制动力，在减速时制动系统所受压力更大，如遇长下坡等需要持续提供制动力的场景，制动系统超负荷运行可能带来安全隐患。
6.在ecu收到加速请求后，发动机需要重新启动并匹配对应车速、挡位的发动机转速，离合器结合后，轮端才会收到正向加速扭矩，整个过程的驾驶性标定是一项较为复杂的工作，且其加速响应很难达到与不熄火停机时相同水平，存在物理上不可突破的响应延迟。在启动过程中，发动机噪声震动会发生较大变化，对nvh也会带来负面影响。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种消除发动机瞬态工况断油后恢复喷油加浓带来的额外燃料消耗，以及提高恢复喷油后nox转化效率的三元催化器旁通节油减排装置及控制方法。
8.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
9.本发明的一种三元催化器旁通节油减排装置，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所述的前端排气管上安装有宽域氧传感器，在靠近前级三元催化器出口处的所述的中间排气管上安装有窄域氧传感器，一根前级催化器旁通管的入口通过分流阀与前端排气管连通并且出口与中间排气管连接，在所述的
窄域氧传感器和前级催化器旁通管的出口之间的中间排气管上安装有止回阀。
10.本发明的三元催化器旁通节油减排装置进行控制的方法，包括以下步骤：
11.步骤一、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，若发动机处于断油状态，则车辆搭载的电子控制单元向分流阀输出开启信号，同时向止回阀输出关闭信号，使断油后的未燃空气流入前级催化器旁通管并直接进入后级催化器，后级催化器将断油期间排放的少量还原性气态污染物进行催化转化；
12.步骤二、在恢复喷油时，车辆搭载的电子控制单元向发动机的喷油器和点火线圈分别发出喷油点火信号，气缸重新开始燃烧，前宽域氧传感器检测到过量空气系数若低于2时，关闭分流阀，打开止回阀，使燃烧后的排气进入前级三元催化器内部完成催化转化；若前宽域氧传感器检测到过量空气系数≥2时，则继续重复步骤一。
13.本发明的有益效果如下：
14.1.在前级三元催化器加入前级催化器旁通管，使断油期间高氧浓度未燃氧气绕开前级三元催化器进入储氧能力相对较弱的后级催化器。保证前级三元催化器的储氧状态不发生改变，在恢复喷油初期省略清氧过程，从而减少加浓带来的额外燃油消耗。
15.2.该装置可使前级三元催化器在发动机运行期间的任何状态都处于储氧平衡，在激烈驾驶工况下，如减速后突然加速，尾气体积流量与nox体积浓度急剧增大。此时可能由于清氧不及时导致前级三元催化器对nox转化效率降低，造成大量nox排入大气。该装置在恢复喷油时快速关闭旁通阀，开启主阀，使高浓度nox尾气在储氧平衡的前级三元催化器上进行还原2no 2ce2o3＝n2 4ceo2，以此保证nox转化效率，消除在断油后大负荷工况下由于清氧不及时造成的nox排放过高问题。
16.3.在断油期间，空气未经燃烧以低温状态直接进入前端排气管，流经仍处于高温状态的前级三元催化器会迅速冷却，使前级三元催化器内部产生较大的温度梯度，从而产生较大的热应力。本发明会将低温未燃空气引入温度相对较低的后级催化器。前级三元催化器内部气体处于静止状态，与内部气体几乎无热量交换，有效降低了传热损失和热应力，从而降低前级三元催化器在长期使用过程中由于热应力导致失效的概率。未燃空气旁通对前级三元催化器的保温作用：可以显著提高在较长时间断油后恢复喷油初期载体壁面温度，从而保证在恢复喷油初期前级三元催化器对污染物的转化效率，达到降低排放的效果。
17.4.混合气偏浓会生成大量颗粒物，取消发动机清氧加浓，能进一步降低颗粒物数量排放，并能一定程度降低发动机缸内积碳、喷油器结焦等风险。
18.5.本发明可使前级三元催化器始终处于储氧平衡状态，清氧加浓策略和前级三元催化器储氧模型得以取消，可有效降低后处理系统标定工作量。
附图说明
19.图1是本发明的一种三元催化器旁通节油减排装置(分流阀关闭、止回阀开启)结构示意图；
20.图2是本发明的一种三元催化器旁通节油减排装置(分流阀开启、止回阀关闭)结构示意图。
具体实施方式
21.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。
22.本发明的一种三元催化器旁通节油减排装置，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8、后级催化器9以及后端排气管10，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进口处的所述的前端排气管1上安装有宽域氧传感器2，在靠近前级三元催化器4出口处的所述的中间排气管8上安装有窄域氧传感器6，本发明在现有技术的基础上改进之处在于：一根前级催化器旁通管5的入口通过分流阀3与前端排气管1连接并且出口与中间排气管8连通，在所述的窄域氧传感器6和前级催化器旁通管5的出口之间的中间排气管8上安装有止回阀7。
23.优选的前级催化器旁通管5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
°
。前级催化器旁通管5的出口与靠近后级催化器9入口处的中间排气管8连通，且出口轴线与中间排气管8的轴线方向(图中气流的流动方向)夹角β≥90
°
。
24.本发明的一种三元催化器旁通节油减排装置的控制方法，包括以下步骤：
25.步骤一、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，若发动机处于断油状态，则车辆搭载的电子控制单元向分流阀3输出开启信号，同时向止回阀7输出关闭信号，使断油后的未燃空气流入前级催化器旁通管5并直接进入后级催化器9，后级催化器9将断油期间排放的少量还原性气态污染物进行催化转化。此时由于前级三元催化器4内气体不再流动，且前级三元催化器4内的催化器表面处于储氧平衡状态，前级三元催化器4与后级催化器9中的氧浓度差异极大，若二者处于连通状态，通过前级催化器旁通管5流入后级催化器9的部分氧气将通过分子扩散近入前级三元催化器4进行储氧。因此，在开启分流阀3的同时关闭前级三元催化器4后端的止回阀7。
26.步骤二、在恢复喷油时，车辆搭载的电子控制单元向发动机的喷油器和点火线圈分别发出喷油点火信号，气缸重新开始燃烧，前宽域氧传感器2检测到过量空气系数若低于2时，关闭分流阀3，打开止回阀7，使燃烧后的排气进入前级三元催化器4内部完成催化转化。若前宽域氧传感器2检测到过量空气系数≥2时，则继续重复步骤一。
27.本步骤中气缸重新开始燃烧时前级三元催化器4前端仍然存有未燃空气，若在此刻关闭分流阀3，会使恢复喷油前两个循环的未燃空气进入前级三元催化器4，打破原有的储氧平衡。为保证装置作用效果，在燃烧开始数个循环内，前宽域氧传感器2检测到过量空气系数低于2时，关闭分流阀3，打开止回阀7。
28.采用本方法在断油期间，未燃空气通过前级催化器旁通管5绕过前级三元催化直接进入后级，前级催化器旁通管5及分流阀3等附件的加入并不改变前级三元催化器4及其封装结构；对于标定策略，只需在车载的电子控制单元ecu中添加简单的执行逻辑即可实现该功能：取消清氧策略并加入分流阀3和止回阀7控制，与发动机其他标定策略并不冲突，具有很高的兼容性，并同时起到了节油和降低排放的作用。
29.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。
30.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。