專利名稱：一種汽車冷起動排放吸附裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種汽車冷起動排放吸附裝置及方法，屬于能源與環(huán)保技術領域。
背景技術：
隨著汽車數(shù)量的急劇增加，汽車尾氣排放已成為大城市最大的空氣污染源，為了減緩空氣質量惡化的趨勢，必須嚴格控制汽車的尾氣排放。就機動車尾氣排放控制標準而言，世界上主要有美國標準、日本標準和歐洲標準，中國的道路和使用條件與歐洲相近，故采用歐洲標準。對于歐2標準，排放限值較低且不計起動后最初40秒的排放，100秒后氧傳感器和三元催化器基本處于正常工作狀態(tài)，發(fā)動機排放可以得到良好的凈化；對于歐3、歐4標準，排放限值比歐2標準分別低35％和70％且發(fā)動機起動后立刻采集排放，此時由于發(fā)動機溫度和排氣溫度均較低，氧傳感器和三元催化器不能正常工作，導致測量的排放急劇增加，輕型車駕駛循環(huán)測試表明，車用汽油機HC排放的70～90％來自冷起動后的第1個200秒，原因是由于冷起動階段發(fā)動機排氣溫度較低，氧傳感器和三元催化器工作不正常。因此，如能采取某種措施控制冷起動時的HC排放，那么車用汽油機就能滿足歐3、歐4排放法規(guī)要求。
目前國內外正在開發(fā)的內燃機冷起動控制技術有近裝催化器、催化器燃油加熱、催化器電加熱和氟石吸附技術。近裝催化器無法轉化冷起動后第1個60秒內的HC，因為在此期間發(fā)動機排溫尚未達到催化器的起活溫度，因此它只能轉化冷起動60秒以后的HC。燃油加熱催化器，則需一個燃燒器，會產生額外排放。電加熱催化器，相對燃油加熱催化器，結構簡單，但要使催化劑溫度在短時間內升至300℃以上要消耗蓄電池大量電能，造成蓄電池壽命下降或需增加一塊冷起動電池。氟石吸附器可吸附冷起動后60秒內的HC，吸附的HC在排氣溫度升高到一定值時解附，解附后的HC被催化轉化器轉換成二氧化碳和水。氟石吸附器串聯(lián)在排氣管上，形成持久背壓，增加發(fā)動機油耗，且氟石吸附量有限，無法吸附大部分發(fā)動機冷起動的HC。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有的發(fā)動機冷起動時排放控制裝置的上述缺陷，提供了一種汽車冷起動排放吸附裝置，利用該裝置可有效降低發(fā)動機冷氣動時的廢氣排放量。
為了實現(xiàn)達到上述目的，本發(fā)明采用了如下技術方案。本裝置主要包括有電控單元1、發(fā)動機3、排氣管2、進氣管4，其中，進氣管4、排氣管2與發(fā)動機相連，在進氣管4上沿進氣方向依次設置有空濾器6、節(jié)氣門5，在排氣管2上沿排氣方向依次設置有第四閥門12、三元催化器13，控制單元12與第四閥門12相連并控制第四閥門12的開啟，控制單元12還接受發(fā)動機轉速信號15、發(fā)動機冷卻液溫度信號16；其特征在于還包括有旁路管17、第一閥門9、第二閥門10、第三閥門11，吸附器8，旁路管17并聯(lián)在發(fā)動機3的排氣管2上并與排氣管2連通，旁路管17與排氣管2連通處分別位于第四閥門12的兩側，在旁路管17上分別設置有第二閥門10、第三閥門11與排氣管2連接，在旁路管17上、位于第二閥門10、第三閥門11之間設置有活性炭吸附器8，活性炭吸附器8通過第一閥門9與進氣管4連通；電控單元1分別與第一閥門9、第二閥門10、第三閥門11相連能夠控制其開啟和關閉。
所述的活性炭吸附器8的結構為，用薄鋼板焊接制成的吸附器殼體19將活性炭塊封裝。
利用如上所述的汽車冷起動排放吸附裝置進行廢氣吸附，電控單元1是按以下步驟進行控制的1)發(fā)動機啟動，電控單元1接收發(fā)動機冷卻水溫度信號；當電控單元1接收到發(fā)動機冷卻水溫度小于40℃時，電控單元1關閉第一閥門(9)和第四閥門12，同時打開第二閥門10和第三閥門11，電控單元1內的計時器開始計時。
2)電控單元1的計時時間是預先設定并存儲于電控單元1中，設定方法為電控單元1根據發(fā)動機冷卻水溫設定計時器的計時時間，當發(fā)動機冷卻水溫度低于20℃時，設定計時器的計時時間為400s；當發(fā)動機冷卻水溫冷卻水溫度在20～40℃之間時，設定計時時間為300s；當發(fā)動機冷卻水溫度大于40℃時，設定計時時間為200s。
3)當電控單元1內的計時器記錄的時間達到設定值時，電控單元1關閉第一閥門9、第二閥門10和第三閥門11，同時打開第四閥門12。此時，發(fā)動機尾氣經過第四閥門12和三元催化器13排入大氣。
4)當發(fā)動機冷卻水溫度大于85℃且發(fā)動機轉速大于1500rpm、車輛穩(wěn)態(tài)工況運行時，電控單元1打開第一閥門9，利用節(jié)氣門5后產生的真空度，使吸附在吸附器8上的HC等物質解附后進入進氣管4，進而進入發(fā)動機3的氣缸內燒掉。
本發(fā)明的工作原理該裝置并聯(lián)在汽車燃機排氣管上，活性炭塊用薄鋼板包覆，一個電控單元通過獲取的發(fā)動水溫和轉速信號，基于相應的控制策略，通過打開或關閉若干電磁閥，確定吸附器的工作狀態(tài)，通過活性炭來吸附內燃機冷起動過程中產生的排放物。在發(fā)動機熱機后，利用發(fā)動機進氣管節(jié)氣門后的真空度將存貯在活性炭中的排放物解附后，吸入進氣管，進入汽缸燒掉。由于活性炭耐高溫性能差，該裝置與排氣管并聯(lián)，冷起動時，排氣通過該裝置，發(fā)動機進入暖機狀態(tài)后，將該裝置旁路掉。
本發(fā)明的有益效果是，通過采用電控活性炭尾氣吸附裝置，大大降低車輛的冷起動排放，發(fā)動機臺架試驗表明，采用該裝置可降低發(fā)動機冷起動HC排放70％以上，CO排放30％以上，NOx排放42％以上。使普通車輛通過簡單的低成本改造達到歐3以上排放標準。


圖1本發(fā)明的結構和工作原理圖。
圖2活性炭吸附器結構及工作原理中1、電控單元，2、排氣管，3、發(fā)動機，4、進氣管，5、節(jié)氣門，6、空濾器，7、新鮮空氣，8、活性炭吸附器，9、第一閥門，10、第二閥門，11、第三閥門，12、第四閥門，13、三元催化器，14、發(fā)動機尾氣，15、發(fā)動機轉速信號，16、發(fā)動機冷卻液溫度，17、活性炭塊，18、活性炭塊軸向定位環(huán)，19吸附器殼體。
具體實施例方式
下面結合附圖1、圖2說明本發(fā)明的實施例。
本實施例主要包括有電控單元1、發(fā)動機3、排氣管2、進氣管4，其中，進氣管4、排氣管2與發(fā)動機相連，在進氣管4上沿進氣方向依次設置有空濾器6、節(jié)氣門5，在排氣管2上沿排氣方向依次設置有第四閥門12、三元催化器13，控制單元12與第四閥門12相連并控制第四閥門12的開啟，控制單元12還接受發(fā)動機轉速信號15、發(fā)動機冷卻液溫度信號16。還包括有旁路管17、第一閥門9、第二閥門10、第三閥門11，活性炭吸附器8，旁路管17并聯(lián)在發(fā)動機3的排氣管2上，旁路管17與排氣管2連通處分別位于第四閥門12的兩側，在旁路管17上分別設置有第二閥門10、第三閥門11與排氣管2連接，在旁路管17上、位于第二閥門10、第三閥門11之間設置有活性炭吸附器8，活性炭吸附器8通過第一閥門9與進氣管4連通；電控單元1分別與第一閥門9、第二閥門10、第三閥門11相連能夠控制其開啟和關閉。
汽車冷起動時排出大量HC，包含了約100種大小不同的HC分子。排氣中HC約有10％的甲烷、30％的乙烯和丙烯、30％的戊烷和己烷、20％甲苯和二甲苯和10％的其他種類。如果起動狀況不好排氣里還會有大量未燃的汽油分子。這些分子屬中孔吸附的范圍內，需中孔發(fā)達的活性炭來吸附這些有機分子，故選擇中孔發(fā)達的煤質活性炭，其不但中孔發(fā)達，而且孔徑分布廣泛，對大小不一的各種大分子吸附能力都很強。
吸附材料選用煤質活性炭經過特殊定型制成的通氣性好且接觸表面積大的蜂窩狀活性炭塊，如圖2所示，長、寬、高各為10cm，每塊重約300g，蜂窩為1.5mm的正方形空洞，壁厚1mm，可多塊串、并聯(lián)使用，以提高吸附凈化效果。
活性炭吸附器8結構如圖2所示，若干活蜂窩狀性炭塊17之間用若干軸向定位環(huán)18隔開，以免每組的孔隙因對接不準而影響通氣，用薄鋼板焊接制成的吸附器殼體19將活性炭塊封裝。
利用上面所述的汽車冷起動排放吸附裝置進行廢氣吸附，控制單元1是按如下步驟控制各閥門的1)發(fā)動機啟動，電控單元1接收發(fā)動機冷卻水溫度信號；當電控單元1接收到發(fā)動機冷卻水溫度小于40℃時，電控單元1關閉第一閥門(9)和第四閥門12，同時打開第二閥門10和第三閥門11，電控單元1內的計時器開始計時。
2)電控單元1的計時時間是預先設定并存儲于電控單元1中，設定方法為電控單元1根據發(fā)動機冷卻水溫設定計時器的計時時間，當發(fā)動機冷卻水溫度低于20℃時，設定計時器的計時時間為400s；當發(fā)動機冷卻水溫冷卻水溫度在20～40℃之間時，設定計時時間為300s；當發(fā)動機冷卻水溫度大于40℃時，設定計時時間為200s。
3)當電控單元1內的計時器記錄的時間達到設定值時，電控單元1關閉第一閥門9、第二閥門10和第三閥門11，同時打開第四閥門12。此時，發(fā)動機尾氣經過第四閥門12和三元催化器13排入大氣。
4)當發(fā)動機冷卻水溫度大于85℃且發(fā)動機轉速大于1500rpm、車輛穩(wěn)態(tài)工況運行時，電控單元1打開第一閥門9，利用節(jié)氣門5后產生的真空度，使吸附在吸附器8上的HC等物質解附后進入進氣管4，進而進入發(fā)動機3的氣缸內燒掉。
本實施例中分別在發(fā)動機水溫為20℃、40℃、60℃和85℃的條件下，在內燃機實驗臺架上進行了活性炭吸附內燃機冷起動排放實驗。采用2臺AVLDiGas 4000排放分析儀同時測量各個實驗條件下的吸附器入口和出口的HC、CO和NOx排放。活性炭吸附器的吸附效率＝(吸附器入口的累積排放-吸附器出口的累積排放)/吸附器入口的累積排放。
在發(fā)動機水溫為20℃的條件下，測得活性炭吸附器的HC吸附效率為87％，CO吸附效率為38％，NOx吸附效率為55％。
在發(fā)動機水溫為40℃的條件下，活性炭吸附器的HC吸附效率為70％，CO吸附效率為28％，NOx吸附效率為42％。
在發(fā)動機水溫為60℃的條件下，活性炭吸附器的HC吸附效率為80％，CO吸附效率為47％，NOx吸附效率為53％。
在發(fā)動機水溫為85℃的條件下，活性炭吸附器的HC吸附效率為78％，CO吸附效率為47％，NOx吸附效率為50％。
上述實例結果表明，采用本發(fā)明的所提供的裝置可有效降低汽車內燃機的排放，HC的平均吸附率達79％，CO的平均吸附率達40％，NOx的平均吸附率達50％。汽車駕駛循環(huán)測試結果表明，整個循環(huán)產生的HC排放的80％來自冷起動，采用該裝置可使循環(huán)總HC排放降低64％。采用進氣真空度解附技術，可把活性炭上吸附的排放物大部分吸入汽缸燒掉，燃燒損失的能量得到部分回收，有利于提高內燃機的熱效率。
權利要求
1.一種汽車冷起動排放吸附裝置，本裝置主要包括有電控單元(1)、發(fā)動機(3)、排氣管(2)、進氣管(4)，其中，進氣管(4)、排氣管(2)與發(fā)動機相連，在進氣管(4)上沿進氣方向依次設置有空濾器(6)、節(jié)氣門(5)，在排氣管(2)上沿排氣方向依次設置有第四閥門(12)、三元催化器(13)，其特征在于還包括有旁路管(17)、第一閥門(9)、第二閥門(10)、第三閥門(11)，活性炭吸附器(8)，旁路管(17)并聯(lián)在發(fā)動機(3)的排氣管(2)上，旁路管(17)與排氣管(2)連通處分別位于第四閥門(12)的兩側，在旁路管(17)上分別設置有第二閥門(10)、第三閥門(11)，在旁路管(17)上、位于第二閥門(10)、第三閥門(11)之間設置有活性炭吸附器(8)，活性炭吸附器(8)通過第一閥門(9)與進氣管(4)連通；電控單元(1)分別與第一閥門(9)、第二閥門(10)、第三閥門(11)、第四閥門(12)相連并控制其開啟和關閉，控制單元(1)接受發(fā)動機轉速信號(15)、發(fā)動機冷卻水溫度信號(16)。
2.根據權利要求1所述的一種汽車冷起動排放吸附裝置，其特征在于所述的活性炭吸附器(8)的結構為，用薄鋼板焊接制成的吸附器殼體(19)將活性炭塊封裝。
3.按照權利要求1所述的一種汽車冷起動排放吸附裝置進行廢氣吸附，其特征在于，是按以下步驟進行控制的1)發(fā)動機啟動，電控單元1接收發(fā)動機冷卻水溫度信號(16)；當電控單元1接收到發(fā)動機冷卻水溫度小于40℃時，電控單元1關閉第一閥門(9)和第四閥門12，同時打開第二閥門10和第三閥門11；電控單元1內的計時器開始計時；2)電控單元1的計時時間是預先設定并存儲于電控單元1中，設定方法為根據發(fā)動機冷卻水溫設定計時器的計時時間，當發(fā)動機冷卻水溫度低于20℃時，設定計時器的計時時間為400s；當發(fā)動機冷卻水溫冷卻水溫度在20～40℃之間時，設定計時時間為300s；當發(fā)動機冷卻水溫度大于40℃時，設定計時時間為200s；3)當電控單元1內的計時器記錄的時間達到設定值時，電控單元1關閉第一閥門9、第二閥門10和第三閥門11，同時打開第四閥門12；4)當發(fā)動機冷卻水溫度大于85℃且發(fā)動機轉速大于1500rpm時，電控單元1打開第一閥門9。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種汽車冷起動排放吸附裝置及方法。該裝置并聯(lián)在汽車內燃機排氣管(2)上，活性炭塊用薄鋼板包覆組成活性炭吸附器(8)，電控單元(1)通過獲取的發(fā)動機冷卻水溫信號(16)和發(fā)動機轉速信號(15)，基于相應的控制策略，通過打開或關閉若干電磁閥，確定活性炭吸附器(8)的工作狀態(tài)，通過活性炭來吸附內燃機冷起動過程中產生的排放物。在發(fā)動機熱機后，利用發(fā)動機進氣管節(jié)氣門(5)后的真空度將存貯在活性炭中的排放物解附后，吸入進氣管(4)，進入汽缸燒掉。發(fā)動機進入暖機狀態(tài)后，將該裝置旁路掉。發(fā)動機臺架試驗表明，采用該裝置可平均降低發(fā)動機冷起動HC排放79％，CO排放40％，NO
文檔編號B01D53/04GK1908394SQ20061008965
公開日2007年2月7日 申請日期2006年7月10日 優(yōu)先權日2006年7月10日
發(fā)明者紀常偉, 何洪 申請人:北京工業(yè)大學