一种可变功率电加热催化器及其控制方法与流程

1.本发明属于车辆后处理技术领域，尤其是涉及一种可变功率电加热催化器及其控制方法。


背景技术：

2.随着国六排放标准的实施，较国五阶段排放要求有了较大幅度的提升，同时对低温冷启动工况有了明确的要求。
3.柴油机长时间停机后再启动会导致hc排放增多，而频繁的热启动会引起nox排放的增多。此外，频繁启动条件下，排气温度降低，后处理装置可能因为反应温度不合适而导致一定程度的失效。柴油机起动后的3min和30s期间，冷机起动的hc和pm排放量是暖机起动的数倍，两种工况下的co排放差距几乎达到数百倍，柴油机冷机和暖机起动过程产生的排放不容忽视。同时，目前主要装车的ehc产品都是固定电压和功率的，受限于传统车载12v电源，相对功率做的比较低，升温限制也很大。因此，为满足日益严苛的排放法规，亟需一种面向低温冷启动工况的柴油机污染物排放控制技术。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可变功率电加热催化器及其控制方法，实现了不同低温工况下后处理催化器内部温度提升，有效解决低温冷启动工况发动机污染物排放控制难题。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种可变功率电加热催化器，包括ehc进气管、ehc主体、ehc正极、ehc负极、催化器主体、ehc出气管和ecu，位于ehc进气管、出气管上的ehc前温度传感器和ehc后温度传感器，以及给ecu、ehc正极和ehc负极供电的ehc电源，所述ehc主体中包含多组电阻可变的加热装置。
7.ehc进气管上设有ehc前温度传感器安装孔，ehc前温度传感器插入量具有一定的深度，同时具有较高的密封性，确保温度测量的精度。
8.更进一步地，ehc主体，包括第一加热丝、第二加热丝、第三加热丝、第四加热丝、第五加热丝、ehc壳体，加热丝正面呈蛇形形状，外轮廓呈圆形，五组加热丝依次平行布置，同时加热丝两端设有正负极触头，第一加热丝的电阻为r1，第二加热丝的电阻为r2，第三加热丝的电阻为r3，第四加热丝的电阻为r4，第五加热丝的电阻为r5，各个加热丝之间可以形成一定的组合。电阻r1为0.144ω，电阻r1和r2并联为0.072ω，电阻r1、r2和r3并联为0.048ω，电阻r1、r2、r3和r4并联为0.036ω，电阻r1、r2、r3、r4和r5并联为0.029ω。
9.ehc正极包括正极继电器触头、正极接头、正极绝缘套，正极接头用于正极电流的接入，正极继电器触头上设有五个触头，分别可与第一加热丝、第二加热丝、第三加热丝、第四加热丝、第五加热丝上的正极触头连接，实现五组加热丝的不同组合模式，对于功率可调起到重要作用。同时，正极绝缘套用于阻隔正极继电器触头和正极接头之间的电流。
10.更进一步地，催化器主体，包括催化器壳体、催化器载体、催化器孔道，催化器载体采用fe-cr基复合陶瓷材料，目数为400目，在催化器孔道涂敷催化剂，其中pt和pd的配比为4：1。
11.进一步地，ehc出气管上设有ehc后温度传感器安装孔，ehc后温度传感器插入量具有一定的深度，同时具有较高的密封性，确保温度测量的精度。
12.进一步地，ehc负极，包括负极继电器触头、负极接头、负极绝缘套，负极接头用于负极电流的接入，负极继电器触头上设有五个触头，分别可与第一加热丝、第二加热丝、第三加热丝、第四加热丝、第五加热丝上的负极触头连接，实现五组加热丝的不同组合模式，对于功率可调起到重要作用。同时，负极绝缘套用于阻隔负极继电器触头和负极接头之间的电流。
13.进一步地，ehc电源，提供12v稳压直流电源，和ehc正极、ehc负极采用自锁方式连接，防止车辆运行过程中由于路况颠簸导致接头虚接。
14.更进一步地，ehc电源为12v，通过ecu控制正极继电器触头和负极继电器触头与各个加热丝之间的开合，进而形成如下不同功率的ehc组合模式：
15.组合模式1：第一加热丝的电阻为r1＝0.144ω，单独用于ehc系统，对应电流为83.33a，实现1kwehc；
16.组合模式2：第一加热丝的电阻r1和第二加热丝的电阻r2并联形成电阻r
12
＝0.072ω，对应电流为166.67a，实现2kwehc；
17.组合模式3：第一加热丝的电阻r1、第二加热丝的电阻r2和第三加热丝的电阻r3并联形成电阻r
123
＝0.048ω，对应电流为250a，实现3kwehc；
18.组合模式4：第一加热丝的电阻r1、第二加热丝的电阻r2、第三加热丝的电阻r3和第四加热丝的电阻r4并联形成电阻r
1234
＝0.036ω，对应电流为333.33a，实现4kwehc；
19.组合模式5：第一加热丝的电阻r1、第二加热丝的电阻r2、第三加热丝的电阻r3、第四加热丝的电阻r4和第五加热丝的电阻r5并联形成电阻r
12345
＝0.036ω，对应电流为416a，实现5kwehc；
20.一种可变功率电加热催化器控制方法，基于whtc循环，包括以下步骤：
21.步骤1：系统接收到车辆行驶路况信号；
22.步骤2：若车辆行驶在城市工况，优先级较高的，开启第一加热丝的电阻r1、第二加热丝的电阻r2、第三加热丝的电阻r3和第四加热丝的电阻r4并联形成的4kwehc模式(组合模式4)，或者，开启第一加热丝的电阻r1、第二加热丝的电阻r2、第三加热丝的电阻r3、第四加热丝的电阻r4和第五加热丝的电阻r5并联形成的5kwehc模式(组合模式5)；优先级较低的，开启第一加热丝的电阻r1、第二加热丝的电阻r2和第三加热丝的电阻r3并联形成的3kwehc模式(组合模式3)，然后进入步骤6；否则，进入步骤3；
23.步骤3：若车辆行驶在郊区工况，优先级较高的，开启第一加热丝的电阻r1、第二加热丝的电阻r2和第三加热丝的电阻r3并联形成的3kwehc模式(组合模式3)；优先级较低的，开启第一加热丝的电阻r1、第二加热丝的电阻r2、第三加热丝的电阻r3和第四加热丝的电阻r4并联形成的4kwehc模式(组合模式4)，或者，开启第一加热丝的电阻r1、第二加热丝的电阻r2、第三加热丝的电阻r3、第四加热丝的电阻r4和第五加热丝的电阻r5并联形成的5kwehc模式(组合模式5)，然后进入步骤6；否则，进入步骤4；
24.步骤4：若车辆行驶在高速工况，开启第一加热丝的电阻r1形成的1kwehc模式(组合模式1)，或者，开启第一加热丝的电阻r1和第二加热丝的电阻r2并联形成的2kwehc模式(组合模式2)，然后进入步骤6；否则，进入步骤5；
25.步骤5：ehc关闭，然后进入步骤6；
26.步骤6：判断发动机是否停止运行，若停止，则进入步骤7；否则，进入步骤1；
27.步骤7：结束。
28.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
29.(1)由于很多传统燃油车只能够提供12v或者24v的稳压电源，而传统的ehc电流上限有一定的约束，很难实现3kw以上的加热功率，进而影响低温工况下升温效率，本发明能实现最高5kw的加热功率，可快速提升后处理催化器内部温度，解决低温工况下污染物排放难题。
30.(2)通过不同加热丝的组合，实现电阻可变，提供多种不同功率的加热模式，满足多样化的行驶路况下的后处理催化器升温需求。
附图说明
31.图1为一种可变功率电加热催化器剖面示意图；
32.图2为一种可变功率电加热催化器轴测示意图；
33.图3为一种可变功率电加热催化器爆炸示意图；
34.图4为ehc主体示意图；
35.图5为ehc加热丝和正负极示意图；
36.图6为ehc加热丝和接头等效成的电阻示意图；
37.图7为不同功率ehc升温曲线示意图；
38.图8为ehc和发动机连接示意图；
39.图9为whtc循环工况下转速和转矩图；
40.图10为不同功率电加热催化器适用工况图；
41.图11为whtc循环工况下升温示意图。
42.附图标记：1、ehc进气管，2、ehc前温度传感器，3、ehc主体，301、第一加热丝，302、第二加热丝，303、第三加热丝，304、第四加热丝，305、第五加热丝，306、ehc壳体，4、ehc正极，401、正极继电器触头，402、正极接头，403、正极绝缘套，5、催化器主体，501、催化器壳体，502、催化器载体，503、催化器孔道，6、ehc后温度传感器，7、ehc出气管，8、ehc负极，801、负极继电器触头，802、负极接头，803、负极绝缘套，9、ehc电源，10、ecu，11、发动机。
43.名词解释：whtc：世界统一瞬态循环。
具体实施方式
44.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
45.一种可变功率电加热催化器，本实施例中，如图1、2和3所示，包括ehc进气管1、ehc主体3、ehc正极4、ehc负极8、催化器主体5、ehc出气管7和ecu10，位于ehc进气管1、出气管7
上的ehc前温度传感器2和ehc后温度传感器6，以及给ehc正极4和ehc负极8供电的ehc电源9，ehc主体3中包含多组电阻可变的加热装置。
46.如图4和5所示，ehc主体3，包括第一加热丝301、第二加热丝302、第三加热丝303、第四加热丝304、第五加热丝305、ehc壳体306，加热丝正面呈蛇形形状，外轮廓呈圆形，五组加热丝依次平行布置，同时加热丝两端设有正负极触头，第一加热丝301的电阻为r1，第二加热丝302的电阻为r2，第三加热丝303的电阻为r3，第四加热丝304的电阻为r4，第五加热丝305的电阻为r5，各个加热丝之间可以形成一定的组合，单根加热丝和接头上功率计算如下：
47.电阻丝和接头电阻：
[0048][0049]
其中，ρ为电阻率，l为电阻丝和接头的长度，s为电阻丝和接头的截面积。
[0050]
r(2,4)、r(1,4)、r(3,4)和r(2,5)的等效电阻r'(2,4)为：
[0051][0052]
依次计算，可以计算r'(2,3)、r'(2,2)、r'(2,1)，归纳得到如下公式：
[0053][0054]
其中，n＝(1,2,3,4)，r'(2,5)＝r(2,5)。
[0055]
加热丝和接头的总电阻为：
[0056]req
＝r'(2,1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0057]
根据：
[0058][0059]
电压为：
[0060]
u(i)＝ie(i)*r'(2,i)，i＝(2,3,4,5)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0061]
设输入电压为v，当i＝1时，u(1)＝v；其中，ie(i)为r(1,i)上的电流值，u(i)为r(2,i)上的电压值。
[0062]
每根电阻丝r(2,i)上的电流为：
[0063][0064]
每段接头r(1,i)上的电压值为：
[0065]
v(i)＝ie(i)*r(1,i)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0066]
每根带电阻丝r(2,i)上的功率为：
[0067][0068]
每段接头r(1,i)上的功率为：
[0069][0070]
电阻r1为0.144ω，电阻r1和r2并联为0.072ω，电阻r1、r2和r3并联为0.048ω，电阻r1、r2、r3和r4并联为0.036ω，电阻r1、r2、r3、r4和r5并联为0.029ω。
[0071]
如图4所示，ehc正极4，包括正极继电器触头401、正极接头402、正极绝缘套403，正极接头402用于正极电流的接入，正极继电器触头401上设有五个触头，分别可与第一加热丝301、第二加热丝302、第三加热丝303、第四加热丝304、第五加热丝305上的正极触头连接，实现五组加热丝的不同组合模式，对于功率可调起到重要作用。同时，正极绝缘套403用于阻隔正极继电器触头401和正极接头402之间的电流。
[0072]
如图1所示，催化器主体5，包括催化器壳体501、催化器载体502、催化器孔道503，催化器载体502采用fe-cr基复合陶瓷材料，目数为400目，在催化器孔道503涂敷催化剂，其中pt和pd的配比为4：1。
[0073]
如图8所示，ehc进气管1上设有ehc前温度传感器2安装孔，安装孔的位置在发动机11排气口后，可以准确测量发动机11的排温，同时又可以监测ehc进气管1内的温度。
[0074]
如图1、4和10所示，ehc电源9为12v，通过ecu10控制正极继电器触头401和负极继电器触头801与各个加热丝之间的开合，进而形成如下不同功率的ehc组合模式：
[0075]
组合模式1：第一加热丝301的电阻为r1＝0.144ω，单独用于ehc系统，对应电流为83.33a，实现1kwehc；
[0076]
组合模式2：第一加热丝301的电阻r1和第二加热丝302的电阻r2并联形成电阻r
12
＝0.072ω，对应电流为166.67a，实现2kwehc；
[0077]
组合模式3：第一加热丝301的电阻r1、第二加热丝302的电阻r2和第三加热丝303的电阻r3并联形成电阻r
123
＝0.048ω，对应电流为250a，实现3kwehc；
[0078]
组合模式4：第一加热丝301的电阻r1、第二加热丝302的电阻r2、第三加热丝303的电阻r3和第四加热丝304的电阻r4并联形成电阻r
1234
＝0.036ω，对应电流为333.33a，实现4kwehc；
[0079]
组合模式5：第一加热丝301的电阻r1、第二加热丝302的电阻r2、第三加热丝303的电阻r3、第四加热丝304的电阻r4和第五加热丝305的电阻r5并联形成电阻r
12345
＝0.036ω，对应电流为416a，实现5kwehc；
[0080]
如图7所示，1kwehc、2kwehc、3kwehc、4kwehc、5kwehc的升温能力依次增大，其中1kwehc、2kwehc的升温能力较低，4kwehc、5kwehc升温能力较高且相较于1kwehc、2kwehc提升了2-3倍。
[0081]
一种可变功率电加热催化器控制方法，如图9所示，基于whtc循环，包括以下步骤：
[0082]
步骤1：系统接收到车辆行驶路况信号；
[0083]
步骤2：若车辆行驶在城市工况，优先级较高的，开启组合模式4，或者，开启组合模式5；优先级较低的，开启组合模式3，然后进入步骤6；否则，进入步骤3；
[0084]
步骤3：若车辆行驶在郊区工况，优先级较高的，开启组合模式3；优先级较低的，开启组合模式4，或者，开启组合模式5，然后进入步骤6；否则，进入步骤4；
[0085]
步骤4：若车辆行驶在高速工况，开启组合模式1，或者，开启组合模式2，然后进入步骤6；否则，进入步骤5；
[0086]
步骤5：ehc关闭，然后进入步骤6；
[0087]
步骤6：判断发动机是否停止运行，若停止，则进入步骤7；否则，进入步骤1；
[0088]
步骤7：结束。
[0089]
如图11所示，虚线为whtc工况下的发动机原排温度曲线，实线为whtc工况下的ehc升温后的温度曲线。当车辆行驶在城市工况，优先开启组合模式4或者组合模式5，使得后处理催化器内部的温度快速稳定在200～350℃之间；当车辆行驶在郊区工况，优先开启组合模式3，使得后处理催化器内部的温度快速稳定在300～430℃之间；当车辆行驶在高速工况，优先开启组合模式1或者组合模式2，使得后处理催化器内部的温度快速稳定在300～420℃之间；催化剂适合的反应温度区间为180～450℃，经过ehc的升温确保了催化剂的活性，大大提升了污染物的处理效率。
[0090]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。