一种汽油发电机组三元催化器的温控机构及其控制方法与流程

本发明属于汽车技术领域，具体涉及一种用于汽油发电机组三元催化器的温控机构及其控制方法。

背景技术：

汽油发电机组是将燃料(汽油)的热能转变为机械能的一种装置，并带动发电机转化为电能。这类发动机工作时依靠进气机构将空气与燃料混合成为混合气后进入燃烧室燃烧做功后排出。国家出台的gb26133-2010《非道路移动机械用小型点燃式发动机排气污染物排放限值与测量方法(中国第一、二阶段)》中对发电机组排放要求越来越严格，成为制约行业发展的重要瓶颈。

众所周知，汽油发动机的尾气主要是经过排气歧管→三元催化器→消声器后，排至大气中，但将汽油发动机应用在发电机组上则处于一个十分尴尬的境地。

三元催化器的功能就是将发动机燃烧后排出的有害气体转化成无害气体后排往大气；三元催化器的内部结构是蜂窝状管道设计，在蜂窝管道壁上有铂、铑和钯等贵金属元素的涂层作为催化反应媒。三元催化器中的催化剂可以促进碳氢化合物(hc)和一氧化碳(co)的氧化反应，将其分别转换成水蒸汽(h2o)和二氧化碳(co2)；同时把氮氧化物(nox)还原反应成为氮气(n2)。

三元催化器受制于其材料特性，氧化锆元件必须被加热(>300℃)才可被激活，且在375℃-800℃净化效果达到最佳。正常汽油发动机排气歧管涡前工作温度在500℃至800℃之间。为保证三元催化器反应温度，传统排气方式，存在如下弊端：(1)消声器出口排气温度在空载到额定功率工况下，经过消声器排出气体温度最高可达700℃，这样对发电机组使用客户来说有着很大的安全隐患；(2)发电机组在大负荷，外部环境温度较高，通风不良时，三元催化器温度会一直保持在700℃以上，对三元催化器前后连接法兰和连接螺栓造成极大损坏，极易发生翘曲变形，导致排气漏气，降低发动机功率。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种结构简单，使用方便的用于汽油发电机组三元催化器的温控机构，本发明还提供了该温控机构的控制方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种用于汽油发电机组三元催化器的温控机构，包括排气歧管、排气管和三元催化器，排气歧管通过排气管与三元催化器连通，其特征在于：所述排气歧管和排气管上均设有排气歧管水套，三元催化器上设有包覆套，发动机缸体排气出口处设有热管，热管的一端与发动机缸体排气出口连通，热管的另一端与三元催化器上的包覆套连通，发动机缸体排气出口处的高温气体通过热管传递到包覆套使三元催化器升温。

进一步的，所述温控机构还包括温度传感器st1和温度传感器st2，温度传感器st1设置在排气歧管与三元催化器连通的管道上且位于三元催化器进口处的前方，温度传感器st2设置在三元催化器中。

进一步的，所述热管与三元催化器上的包覆套之间设有热开关控制器和输出热管，热开关控制器一端与热管连接，热开关控制器的另一端与输出热管连接，输出热管与三元催化器上的包覆套连通。

进一步的，所述包覆套为热管螺旋结构，热管螺旋结构与输出热管连通，包覆套螺旋缠绕在三元催化器上。

进一步的，所述热管包括1缸热管、2缸热管、3缸热管和4缸热管，1缸热管、2缸热管、3缸热管和4缸热管分别发动机的四个缸连通。

进一步的，所述热开关控制器包括1缸热开关、2缸热开关、3缸热开关和4缸热开关，1缸热开关、2缸热开关、3缸热开关和4缸热开关一端分别与1缸热管、2缸热管、3缸热管和4缸热管连通，1缸热开关、2缸热开关、3缸热开关和4缸热开关另一端汇集与输出热管连通。

进一步的，所述三元催化器的外部设有隔热包覆，三元催化器和包覆套均设置在隔热包覆内。

进一步的，所述排气歧管水套上设有水套进水管和水套出水管，水套进水管设有用于调节进水量的调节阀，水套出水管上设有用于检测出水温度的温度传感器st3，水套进水管和水套出水管与发电机组冷却器相连。

本发明还涉及一种用于汽油发电机组三元催化器的温控机构的控制方法，其特征在于：所述控制方法包括对调节阀的控制和对热开关控制器的控制，温度传感器st3监控出水温度，根据出水温度和机组运行状态调节调节阀的开度，调节排气歧管水套进水量，排气歧管水套(1)的出水温度控制在80℃—85℃。

进一步的，所述热开关控制器(4)的控制包括如下步骤：

a.当所述温度传感器st1检测的温度在100℃～375℃之间时，热开关控制器合闸；

b.当所述温度传感器st2检测到三元催化剂中的温度小于350℃时，1缸热开关、2缸热开关、3缸热开关和4缸热开关均处于闭合状态，发动机缸体排出的高温气体通过1缸热管、2缸热管、3缸热管和4缸热管通向三元催化器上的包覆套使三元催化器升温；当所述温度传感器st2检测到三元催化剂中的温度大于500℃时，1缸热开关、2缸热开关、3缸热开关和4缸热开关均处于断开状态；

c.当所述温度传感器st2检测到三元催化剂中的温度在350℃～400℃之间时，1缸热开关、2缸热开关和3缸热开关闭合，4缸热开关断开，发动机缸体排出的高温气体通过1缸热管、2缸热管和3缸热管通向三元催化器上的包覆套使三元催化器升温。

d.当所述温度传感器st2检测到三元催化剂中的温度在400℃～450℃之间时，1缸热开关和2缸热开关闭合，3缸热开关和4缸热开关断开，发动机缸体排出的高温气体通过1缸热管和2缸热管通向三元催化器上的包覆套使三元催化器升温。

e.当所述温度传感器st2检测到三元催化剂中的温度在450℃～400℃之间时，1缸热开关闭合，2缸热开关、3缸热开关和4缸热开关断开，发动机缸体排出的高温气体通过1缸热管通向三元催化器上的包覆套使三元催化器升温。

采用本发明技术方案的优点为：

本发明中排气歧管采用水套包覆，使整个排气系统表面温度相对较低，大大提高机组内部的安全性；利用热管超强导热能力，机组刚启动时可以最快速度将三元催化加热至最佳反应温度，确保排放达标；热管和热开关控制器的设置，使得在机组运行全功率段，均可让三元催化保持在最佳反应温度偏下限，既能最大限度发挥三元催化器的功能，也能极好的保护设备安全和人身安全。本发明将热管、热开关技术与发动机原有排气系统进行相结合，避免了原有三元催化器应用在汽油发电机组上工况改变而造成的不良影响。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为本发明温控机构的结构示意图；

图2为本发明的控制逻辑示意图一；

图3为本发明的控制逻辑示意图二；

图4为本发明主控制器引脚连接图；

图5为本发明各部件连接电路图。

上述图中的标记分别为：1、排气歧管水套；2、发动机缸体排气出口；3、热管；31、1缸热管；32、2缸热管；33、3缸热管；34、4缸热管；4、热开关控制器；41、1缸热开关；42、2缸热开关；43、3缸热开关；44、4缸热开关。

具体实施方式

在本发明中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“平面方向”、“周向”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。

如图1至图3所示，一种用于汽油发电机组三元催化器的温控机构，包括排气歧管14、排气管13和三元催化器5，排气歧管14通过排气管13与三元催化器5连通，其特征在于：所述排气歧管14和排气管13上均设有排气歧管水套1，三元催化器5上设有包覆套6，发动机缸体排气出口2处设有热管3，热管3的一端与发动机缸体排气出口2连通，热管3的另一端与三元催化器5上的包覆套6连通，发动机缸体排气出口2处的高温气体通过热管3传递到包覆套6使三元催化器5升温。本发明在原有排气歧管和排气管外部加排气歧管水套1包覆，使3发动机原有排气歧管改为水冷排气歧管，这样可降低消音器出口排气温度，同时使机组内部温度降低，保护机组内部元器件安全。

排气歧管水套1上设有水套进水管11和水套出水管12，水套进水管11设有用于调节进水量的调节阀111，水套出水管12上设有用于检测出水温度的温度传感器st3121，水套进水管11和水套出水管12与发电机组冷却器相连。调节阀111为电动调节阀，在冷却水套3的进水管1增加一个电动调节阀，在排气歧管水套1的出水管设置一个出水温度传感器st3监控出水温度，根据出水温度和机组运行状态(实际所带负荷)调节电动调节阀开度，调节排气歧管水套进水量，以到达温度控制的目的，将其出水温度控制在80℃—85℃，排气歧管水套的进出水管与发电机组冷却器相连。

因为排气歧管水套很长，如果长时间保持全开，其对排气温度冷却效果明显，a.在机组空载和低载荷时，导致排气温度过低，不利于三元催化器以最快速度升温至最佳反应温度区间；b.机组空载和低载荷时，冷却液温度过低不利于发动机正常运行(发动机正常工作温度80℃—90℃)；c.有利于发电机组整体冷却系统的稳定性，冷却液温度保持在相对平稳的温度区间，冷却风扇不用频繁启停，延长风扇使用寿命，风扇频繁启停对机组内部消耗电能较大，此举可降低机组内部消耗电能。

热管3与三元催化器5上的包覆套6之间设有热开关控制器4和输出热管9，热开关控制器4一端与热管3连接，热开关控制器4的另一端与输出热管9连接，输出热管9与三元催化器5上的包覆套6连通。

包覆套6为热管螺旋结构，热管螺旋结构与输出热管9连通，包覆套6螺旋缠绕在三元催化器5上。三元催化器5的外部设有隔热包覆10，三元催化器5和包覆套6均设置在隔热包覆10内。

热管3包括1缸热管31、2缸热管32、3缸热管33和4缸热管34，1缸热管31、2缸热管32、3缸热管33和4缸热管34分别发动机的四个缸连通。热开关控制器4包括1缸热开关41、2缸热开关42、3缸热开关43和4缸热开关44，1缸热开关41、2缸热开关42、3缸热开关43和4缸热开关44一端分别与1缸热管31、2缸热管32、3缸热管33和4缸热管34连通，1缸热开关41、2缸热开关42、3缸热开关43和4缸热开关44另一端汇集与输出热管9连通。本发明引入热管和热开关技术，利用热管良好的导热能力，利用发动机排气口与三元催化器的温度差，使热量快速传导，对三元催化器表面实现快速加热。

从发动机1-4缸排气出口分别引出热管3，经过热开关控制器4、输出热管9对三元催化器5外表面进行热管螺旋结构包覆，将发动机1-4缸排气出口温度快速导热至三元催化器，对其加热升温，并再其外面进行隔热包覆10，使其快速达到最佳反应温度。具有以下优点：【1】热管技术是1963年美国洛斯阿拉莫斯(losalamos)国家实验室的乔治格罗佛(georgegrover)发明的一种称为“热管”的传热元件，它充分利用了热传导原理与相变介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力；【2】通过热开关控制器可分别控制1-4缸的引出热管3和输出热管9的热接触或热分离，从而达到控制三元催化器加热升温速度的目的；【3】热管螺旋结构包覆有利于温度聚集，不易扩散，提高热管传导热能的利用率。

上述温控机构还包括温度传感器st17和温度传感器st28，温度传感器st17设置在排气歧管与三元催化器5连通的管道上且位于三元催化器5进口处的前方，用于检测由排气歧管直接进入三元催化器5的气体的温度，温度传感器st28设置在三元催化器5中用于检测三元催化器5内部的温度。本发明在进入三元催化前和三元催化本体设置两个温度传感器，作为控制器的信号输入，控制器优选为plc控制器。温度传感器st17和温度传感器st28的温度检测结果进入控制器内进行运算，控制1缸热开关41、2缸热开关42、3缸热开关43和4缸热开关44的闭合、断开，即控制1缸热管31、2缸热管32、3缸热管33和4缸热管34传输的开启、关闭。优选的热开关可根据实际需求选为气体开关、机械开关、超导开关、磁热开关，因为三元催化器375℃至800℃温度区间内，催化效率最高，在确保温度传感器st28温度保持三元催化始终处于最佳工作温度下限的同时，也可进一步控制机组消音器出口排气温度。

在排气管13靠近三元催化器侧设置一个用于检测三元催化前排气温度的温度传感器st17，在三元催化器5内设置一个用于检测三元催化器温度的温度传感器st28，通过主控制器对温度传感器st17、温度传感器st28温度检测数据、温度传感器st17的目标温度、机组运行状态(实际所带负荷)建立数学模型，通过加权计算算出数值，作为判断依据，控制热开关控制器)内各缸热开关的导通状态，从而可控制三元催化器始终工作在400℃—450℃温度区间范围内。具有以下优点：【1】因为三元催化器375℃至800℃温度区间内，催化效率最高，确保st2温度保持三元催化始终处于最佳工作温度下限，也可进一步控制机组消音器出口排气温度；【2】此套系统通过建立数学模型来进行计算，控制热开关控制器的导通和关断，更加科学，更加具有预判性。

采用机组运行状态(实际所带负荷)作为调节阀111和热开关控制器4的控制依据，是由于无论是冷却液温度抑或排气温度都会迟滞系统，如果单纯以温度作为判断依据，始终无法保证温控系统的稳定性，冷却液温度和排气温度都与发动机所带负荷有着直接的关系，而反应机组实际所带负荷的最佳衡量标准极为机组实际运行电流，由此可以看出冷却液温度和排气温度的变化均迟滞于电流的变化，用电流的变化作为计算依据，可以提升温控系统的预判性，提高温控系统的稳定性。

本发明还提供了一种用于汽油发电机组三元催化器的温控机构的控制方法，其特征在于：所述控制方法包括对调节阀111的控制和对热开关控制器4的控制，温度传感器st3121监控出水温度，根据出水温度和机组运行状态调节调节阀2的开度，调节排气歧管水套1进水量，排气歧管水套1的出水温度控制在80℃—85℃。

热开关控制器4的控制包括如下步骤：a.控制回路上电，当所述温度传感器st17检测的温度在100℃～375℃之间时，热开关控制器4合闸。

b.当所述温度传感器st28检测到三元催化剂中的温度小于350℃时，1缸热开关41、2缸热开关42、3缸热开关43和4缸热开关44均处于闭合状态，发动机缸体排出的高温气体通过1缸热管31、2缸热管32、3缸热管33和4缸热管34通向三元催化器5上的包覆套6使三元催化器5升温。

c.当所述温度传感器st28检测到三元催化剂中的温度在350℃～400℃之间时，1缸热开关41、2缸热开关42和3缸热开关43闭合，4缸热开关44断开，发动机缸体排出的高温气体通过1缸热管31、2缸热管32和3缸热管33通向三元催化器5上的包覆套6使三元催化器5升温。

d.当所述温度传感器st28检测到三元催化剂中的温度在400℃～450℃之间时，1缸热开关41和2缸热开关42闭合，3缸热开关43和4缸热开关44断开，发动机缸体排出的高温气体通过1缸热管31和2缸热管32通向三元催化器5上的包覆套6使三元催化器5升温。

e.当所述温度传感器st28检测到三元催化剂中的温度在400℃～450℃之间时，1缸热开关41闭合，2缸热开关42、3缸热开关43和4缸热开关44断开，发动机缸体排出的高温气体通过1缸热管31通向三元催化器5上的包覆套6使三元催化器5升温。

f.当所述温度传感器st28检测到三元催化剂中的温度大于500℃时，1缸热开关41、2缸热开关42、3缸热开关43和4缸热开关44均处于断开状态。

随着温度的升高逐步减少热开关打开的数量，降低三元催化剂温升的速度，进而精确控制三元催化剂内的温度。本发明中排气歧管采用水套包覆，使整个排气系统表面温度相对较低，大大提高机组内部的安全性；利用热管超强导热能力，机组刚启动时可以最快速度将三元催化加热至最佳反应温度，确保排放达标；热管和热开关控制器的设置，使得在机组运行全功率段，均可让三元催化保持在最佳反应温度偏下限，既能最大限度发挥三元催化器的功能，也能极好的保护设备安全和人身安全。本发明将热管、热开关技术与发动机原有排气系统进行相结合，避免了原有三元催化器应用在汽油发电机组上工况改变而造成的不良影响。

本发明的主控制器包括延时控制电路1、延时控制电路2、延时控制电路3、延时控制电路4、延时控制电路5、延时控制电路6、延时控制电路7、蓄电池电压监测模块、电源管理模块、温度采集模块1、温度采集模块2、温度采集模块3、电流监测模块、比较器1、比较器2、比较器3、机组状态判定单元、控制模块1、控制模块2。

主控制器的各引脚连接的模块为：s1：接入st3，出水温度监测；s2：机组运行信号；s3：接入蓄电池；s4：接入st1，三元催化器前排气温度监测；s5:接入st2，三元催化器温度监测；s6：机组负载电流传感器；s7：接调节阀；s8：接1缸热开关；s9：接2缸热开关；s10：接3缸热开关；s11：接4缸热开关；s12：电源故障信号输出。

对调节阀111的控制为控制模块1采用pid控制。

对热开关控制器4的控制为控制模块2采用数学模型进行逻辑运算，加上机组负荷作为权重，和根据数学模型得出运算数值与预设的4个阈值n1、n2、n3、n4比较从而控制高低电平的输出，阈值n1、n2、n3、n4分别对应350℃、400℃、450℃、500℃。其pid的算法为：

式中：kp—比例增益，kp与比例度成倒数关系；tt—积分时间常数；td—微分时间常数；u(t)—pid控制器的输出信号；e(t)—给定值r(t)与测量值之差。

控制模块2的具体运行逻辑为：如图2所示，由机组判定单元判定机组是否运行，当机组运行，将机组st2目标温度450℃，与st1三元催化器前排气温度、st2三元催化器温度带入控制模块2内部预设数学模型进行计算，

ts＝λ×γ×(t目标-t2)

t(s)：输出值

λ：负载权重系数

γ：(t目标-t1)权重系数

ts值越大，说明st2与目标温度偏差越大，导通的热管开关越多

当负载越大，电流越高，机组负荷越大，λ值越小

当st1温度越高，与目标温度偏差越小，γ值越小

因为负载的变化速率快于排气温度的变化速率，且呈正比例函数关系，且st1作为三元催化器入口温度检测，st1温度越高，三元催化器加热前初始温度也将随之升高，故而为了增加数学模型的预判性、稳定性，将载荷对应权重系数λ(t)和st1与目标温度偏差系数γ(t)加入数学模型，最后输出结果t(s)与预设阙值n1、n2、n3、n4比较，最后比较结果作为热开关控制器导通、关断的判断条件，以达到将三元催化器目标温度区间控制在450±50℃。

以上结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。