一种利用真空-相变保温降低冷启动排放的催化装置及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明提供一种利用真空-相变保温降低冷启动排放的催化装置，具体涉及一种新型催化装置的设计及控制方法，属于内燃机领域。
【背景技术】
[0002]随着汽车数量的急剧增加，汽车排放加剧了大气的污染和环境的恶化，汽车排放物成为城市空气污染的主要源头，降低发动机污染气体排放已经成为内燃机继续发展亟待解决的重要问题之一。最新国家标准，全国将于2018年I月I日起实施第五阶段国家机动车排放标准，北京市将于2016年I月I日起提前实施第五阶段国家机动车排放标准。国五标准，相当于欧盟的欧五标准，欧盟已经从2009年起开始执行，其对氮氧化物、碳氢化合物、一氧化碳和悬浮粒子等机动车排放物的限制更为严苛。从国I提至国IV，每提高一次标准，单车污染减少30%至50%。在排放循环测试中，根据美国环境保护署的FTP-75测试得知，配备三效催化转化器的汽油机近80%的HC、C0排放是在冷起动最初的200s内产生的，原因是由于冷启动阶段发动机排气温度较低，氧传感器和三元催化器不能正常工作。因此，如能采取措施控制启动时的HC排放，车用汽油机就能满足更高的排放法规要求。
[0003]目前汽油车冷启动排放控制主流技术是通过使三元催化器快速达到起燃温度来降低HC和CO的排放，在使催化器快速起燃研宄方面的主要办法是降低催化器的起燃温度和尽快提高催化器温度。而前者由于催化剂技术的限制，效果是有限的，而且还需要加大贵金属的含量，会造成系统成本的增加。故而催化器快速起燃的研宄较多的集中在了尽快提高催化器入口温度方面，如近装催化器、催化器燃油加热，催化器电加热等技术。近装催化器无法转化冷启动后第一个60s内的HC ;催化器燃油加热，需要一个燃烧室，会产生额外的排放；催化器电加热技术，相对燃油加热催化器结构简单，但要使催化剂温度在短时间内达到起燃温度需要消耗蓄电池大量的电能。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了客服现有的发动机冷启动时排放控制装置的上述缺陷，利用发动机的余热，提供了一种利用真空-相变保温降低冷启动排放的催化装置及控制方法，利用该装置可有效降低发动机冷启动时废气排放量。
[0005]本发明采用如下技术方案:
[0006]一种利用真空-相变保温降低冷启动排放的催化装置，其特征在于:包括控制单元5、气泵系统4、气门开关驱动系统3、催化剂载体7、空腔8、相变材料9，相变材料9紧挨着催化剂载体7外侧设置，并且和催化剂载体7都封装在密闭腔内，其外侧是空腔8，空腔8内安装压力传感器15.前段排气管I和后段排气管10靠近空腔8处装有气门开关驱动装置3，其中前段排气管I还安装有温度传感器2。
[0007]应用所述的装置的方法，其特征在于步骤如下:
[0008]I)该装置根据发动机的启动信号11和停车信号12控制气门6的开启和关闭；发动机处于运行状态下，气门6保持开启；发动机启动时，电控单元5将发动机的启动信号11传递给气门开关驱动装置3，气门开关驱动装置3开启气门6.温度传感器2检测流经前段排气管I内的废气温度并传递给电控单元5 ;
[0009]发动机处于停车状态下，气门6保持闭合，空腔8为真空腔，空腔8内的真空减少装置内热量的散失；
[0010]2)当电控单元5接受的温度信号大于800°C时，电控单元5向气泵系统4发出充气信号13，电泵系统4接受到充气信号13后向空腔内充入空气，直到腔内压力与外界压力平衡；随着充入空气量越大，腔内的传热系数越大，有利于废气热量的散失，防止催化剂高温失活；当电控单元5接受的温度信号小于800°C时，电控单元5向气泵系统4发出抽气信号14，电泵系统4接受到抽气信号14后从空腔内向外抽空气；随着空气减少，传热系数减小，热量散失减少；
[0011]发动机停车时，电控单元5将发动机的停车信号12传递给气门驱动装置3，气门开关驱动装置3关闭气门6，此时通过压力传感器15判断空腔8是否为真空，如果空腔8不是真空，电控单元5向气泵系统4发出抽气信号14，电泵系5统接受到抽气信号14后从空腔内向外抽空气，保证停车状态下空腔8为真空腔。
[0012]本装置中提到的相变材料为硅铝合金材料，相变材料在发生相变过程中吸收或释放大量的潜热。
[0013]本发明的工作原理:该装置安装在汽车发动机排气管上，用装有相变材料的封闭腔包裹催化剂载体，使其处在气体传热系数可变的空腔内(气体传热系数由真空度调节)。发动机停车后，关闭催化器两侧的气门，使催化器处在真空环境中，以减少催化器能量的散失，同时相变材料在凝固过程中释放潜热，保证了发动机再次启动时催化器足够高的温度。发动机在高负荷工作时，可以通过向空腔内充入空气，增加其传热系数向往散热，同时相变材料在熔融过程中吸收热量，保证了过高的废气温度不至于使催化剂高温失活。
[0014]本发明的有益效果是，通过采用电控真空-相变保温装置，提高了发动机冷启动时催化器的温度，缩短了催化剂达到起燃温度的时间，大大降低了车辆冷启动排放。发动机台架试验表明，采用该装置停车24小时后催化器温度仍保持在250°C，从而降低发动机冷启动HC排放80%以上，CO排放40%以上，NOx排放40%以上，使普通车辆不进行大的结构改动达到欧4以上排放标准。
【附图说明】
[0015]图1本发明的结构和工作原理图
[0016]图中:1、前段排气管，2、温度传感器，3、气门开关驱动装置，4、气泵系统，5、电控单元，6、气门，7、催化剂载体，8、空腔，9、相变材料，10、后段排气管，11、发动机启动信号，12、发动机停车信号，13、充气信号，14、抽气信号，15、压力传感器。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图和【具体实施方式】对于本发明做进一步的说明:
[0018]本装置主要包括控制单元5、气泵系统4、气门开关驱动系统3、催化剂载体7、空腔8、相变材料9，相变材料9封装在紧挨着催化剂载体7外侧的密闭腔内，其外侧是空腔8，空腔8的真空度由气泵系统4根据电控单元5发出的充气信号13和抽气信号14调节，空腔8安装压力传感器15.前段排气管I和后段排气管10靠近空腔8处装有气门开关驱动装置3，其中前段排气管I还安装有温度传感器2，该驱动装置根据发动机的启动信号11和停车信号12控制气门6的开启和关闭。发动机处于运行状态下，气门6保持开启；发动机处于停车状态下，气门6保持闭合，空腔8为真空腔。
[0019]调查数据表明，90%以上的车辆在停车24小时之内会重新启动，保证发动机启动时的温度对于降低车辆启动时的排放至关重要。相变材料采用相变温度较低的硅铝合金材料。
[0020]利用如上所述汽车冷启动排放吸附装置进行废气吸附，是按照以下步骤进行控制的:
[0021]I)发动机处于停车状态下，气门6处于闭合状态，空腔8内的真空可以减少装置内热量的散失。发动机启动时，电控单元5将发动机的启动信号11传递给气门开关驱动装置3，气门开关驱动装置3开启气门6.温度传感器2检测流经前段排气管I内的废气温度并传递给电控单元5.
[0022]2)当电控单元5接受的温度信号大于800°C时，电控单元5向气泵系统4发出充气信号13，电泵系统4接受到充气信号13后向空腔内充入空气，直到腔内压力与外界压力平衡。随着充入空气量越大，腔内的传热系数越大，有利于废气热量的散失，防止催化剂高温失活。当电控单元5接受的温度信号小于800°C时，电控单元5向气泵系统4发出抽气信号14，电泵系统4接受到抽气信号14后从空腔内向外抽空气。随着空气减少，传热系数减小，热量散失减少。
[0023]3)发动机停车时，电控单元5将发动机的停车信号12传递给气门驱动装置3，气门开关驱动装置3关闭气门6.此时可以通过压力传感器15判断空腔8是否为真空，如果空腔8不是真空，电控单元5向气泵系统4发出抽气信号14，电泵系5统接受到抽气信号14后从空腔内向外抽空气，保证停车状态下空腔8为真空腔。
【主权项】
1.一种利用真空-相变保温降低冷启动排放的催化装置，其特征在于:包括控制单元(5)、气泵系统⑷、气门开关驱动系统(3)、催化剂载体(7)、空腔⑶、相变材料(9)，相变材料(9)紧挨着催化剂载体(7)外侧设置，并且和催化剂载体(7)都封装在密闭腔内，其外侧是空腔(8)，空腔⑶内安装压力传感器(15).前段排气管⑴和后段排气管(10)靠近空腔(8)处装有气门开关驱动装置(3)，其中前段排气管(I)还安装有温度传感器(2)。
2.应用权利要求1所述的装置的方法，其特征在于步骤如下: 1)该装置根据发动机的启动信号(11)和停车信号(12)控制气门(6)的开启和关闭；发动机处于运行状态下，气门(6)保持开启；发动机启动时，电控单元(5)将发动机的启动信号(11)传递给气门开关驱动装置(3)，气门开关驱动装置(3)开启气门(6).温度传感器(2)检测流经前段排气管⑴内的废气温度并传递给电控单元(5); 发动机处于停车状态下，气门(6)保持闭合，空腔(8)为真空腔，空腔(8)内的真空减少装置内热量的散失； 2)当电控单元(5)接受的温度信号大于800°C时，电控单元(5)向气泵系统⑷发出充气信号(13)，电泵系统(4)接受到充气信号(13)后向空腔内充入空气，直到腔内压力与外界压力平衡；随着充入空气量越大，腔内的传热系数越大，有利于废气热量的散失，防止催化剂高温失活；当电控单元(5)接受的温度信号小于800°C时，电控单元(5)向气泵系统(4)发出抽气信号(14)，电泵系统(4)接受到抽气信号(14)后从空腔内向外抽空气；随着空气减少，传热系数减小，热量散失减少； 发动机停车时，电控单元(5)将发动机的停车信号(12)传递给气门驱动装置(3)，气门开关驱动装置(3)关闭气门(6)，此时通过压力传感器(15)判断空腔(8)是否为真空，如果空腔⑶不是真空，电控单元(5)向气泵系统⑷发出抽气信号(14)，电泵系(5)统接受到抽气信号(14)后从空腔内向外抽空气，保证停车状态下空腔(8)为真空腔。
【专利摘要】本发明涉及一种利用真空-相变保温降低冷启动排放的催化装置。该装置安装在发动机的排气管上，用装有相变材料的封闭腔包裹催化剂载体，使其处在空腔中。发动机停车后，气门开关驱动装置接受电控单元发出的信号，关闭催化器两侧的气门，气泵系统使催化器处在真空环境中，以减少催化器能量的散失，同时相变材料在凝固过程中释放潜热，保证了发动机再次启动时催化器足够高的温度，缩短了催化剂达到起燃温度的时间，大大降低了车辆冷启动排放。采用该装置停车24小时后催化器温度仍保持在250℃。发动机在高负荷工作时，通过向空腔内充入空气，增加其传热系数向往散热，同时相变材料在熔融过程中吸收热量，保证了过高的废气温度不至于使催化剂高温失活。
【IPC分类】F01N9-00, F01N3-28
【公开号】CN104791056
【申请号】CN201510126358
【发明人】纪常伟, 余梦辉, 汪硕峰, 徐溥言, 苏腾
【申请人】北京工业大学
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年3月21日