CN110700955B - 汽油发动机催化器的过量空气系数控制方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及发动机污染物排放控制技术领域，提供一种汽油发动机催化器的过量空气系数控制方法及装置。本发明所述的汽油发动机催化器的过量空气系数控制方法包括：在发动机起动之后催化器未起燃之前的发动机怠速阶段，控制过量空气系数在第一设定值与第二设定值二者之间交替切换，直至过量空气系数传感器实现闭环；其中，所述过量空气系数为实际供给燃料燃烧的空气量与标准空气量之比，当所述过量空气系数被控制在所述第一设定值时，使得空燃比大于14.7以进行稀薄控制；当所述过量空气系数被控制在所述第二设定值时，使得所述空燃比小于14.7以进行加浓控制。可以通过上述技术方案实现在低成本的情况下，同时降低NMOG和NOX的排放量。

Description

汽油发动机催化器的过量空气系数控制方法及装置
技术领域
本发明涉及发动机污染物排放控制技术领域，特别涉及一种汽油发动机催化器的过量空气系数控制方法及装置。
背景技术
随着国六a/b、欧六a/b、北美LEVIII等废气排放法规的逐步实施。尤其LEVIII法规的SULEV20中规定NMOG(非甲烷有机气体)+NOX(氮氧化物，例如NO和NO2)排限值低至20mg/mile，所以要特别关注发动机首次起动后的废气排放特性，因为在FTP-75行驶试验循环的第一阶段中所产生的废气排放量比加权平均的尾管废气排放量的一半还要多。由于在限值中添加了NMOG+NOX之和的排放限值标准，因此在其他方面不采取有损于燃油耗和原始排放的措施情况下，能迅速地达到催化转化器平均起燃温度，其中，所述催化器作用在于将可燃混合气燃烧是产生的有害成分碳氢化合物、一氧化碳和氮氧化合物转化成无害成分最终形成的产物是水蒸气、二氧化碳和氮。所述催化器平均起燃为催化器达到转化有害排放物的平均温度，一般为催化器30mm处的中心温度。保持足够的废气温度，能使催化器快速起燃，因此，在发动机起动后的怠速阶段，在将点火时刻延迟的同时，提高发动机转速，产生大量的热能提供给催化器，以助催化器快速起燃。但是，在催化器起燃前的阶段，过量空气系数传感器(λ传感器，可起到空燃比反馈作用)此阶段尚未闭环，还在开环控制阶段(即空燃比无法达到理论空燃比)，因此早催化器起燃前的阶段很难同时降低NMOG和NOX的排放量。其中，过量空气系数是指实际供给燃料燃烧的空气量与标准空气量之比，是反映燃料与空气配合比的一个重要参数，通过符号“λ”表示。所述空燃比指可燃混合气中空气质量与燃油质量之比，而所述理论空燃比指只有可燃混合气处于化学计量空燃比，空气与燃料比值为14.7时，才能使催化器净化有害物NMOG、CO和NOX的效率达到最高。
对汽油机而言，起动阶段过量空气系数传感器(λ传感器)闭环晚，空燃比无法达到最佳空燃比14.7，当空燃比大于14.7的混合气为稀混合气，NMOG转化率高，NOX转化率低，有利于降低冷起动时NMOG的排放，空燃比小于14.7混合气称为浓混合气，燃烧不完全，NOX排放物低，NMOG排放物高，有利于降低冷起动时NOX排放物。起动时的过量空气系数是由根据进气量计算的燃油喷射量决定的，但是进气量和喷射量本身就有误差，所以将过量空气系数λ＝1的精准控制很难实现。会大量产生HC和NOX。HC在缺少氧气的情况下难以氧化，NOX会在氧气过多的环境中大量产生。
图1示出了现有技术中稀薄控制策略及排放值的示意图，图2示出了现有技术中加浓控制策略及排放值的示意图，结合图1和图2所示，稀薄控制策略，氧含量较高，CO主要与氧气发生反应，CO与NOX不发生反应或发生极少量反应，具体地，NMOH的排放值为42，NOX的排放值为14，这样NMOG+NOX总量仍然很高。在加浓控制策略情况下，含氧量少，CO虽然与NOX发生反应，但是NMOG含量高，NOX含量产生的少，与CO发生的反应少，NMOH的排放值为58，NOX的排放值为5，NMOG+NOX总量仍然很高。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种汽油发动机催化器的过量空气系数控制方法及装置，以通过在发动机起动之后催化器未起燃之前的发动机怠速阶段，控制过量空气系数在第一设定值与第二设定值二者之间交替切换，当所述过量空气系数被控制在所述第一设定值时，使得空燃比大于14.7以进行稀薄控制；当所述过量空气系数被控制在所述第二设定值时，使得所述空燃比小于14.7以进行加浓控制，直至过量空气系数传感器实现闭环，实现同时降低NMOG和NOX的排放量。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种汽油发动机催化器的过量空气系数控制方法，所述汽油发动机催化器的过量空气系数控制方法包括：
在发动机起动之后催化器未起燃之前的发动机怠速阶段，控制过量空气系数在第一设定值与第二设定值二者之间交替切换，直至过量空气系数传感器实现闭环；
其中，所述过量空气系数为实际供给燃料燃烧的空气量与标准空气量之比，当所述过量空气系数被控制在所述第一设定值时，使得空燃比大于14.7以进行稀薄控制；当所述过量空气系数被控制在所述第二设定值时，使得所述空燃比小于14.7以进行加浓控制。
进一步的，所述第一设定值取值范围为[1，1.05]，所述第二设定值的取值范围为[0.95，1]。
进一步的，所述控制过量空气系数在第一设定值与第二设定值二者之间交替切换包括：
控制所述过量空气系数在所述第一设定值保持第一设定时间段后替换至所述第二设定值，以及控制所述过量空气系数在所述第二设定值保持第二设定时间段后替换至所述第一设定值。
进一步的，所述第一设定时间段大于所述第二设定时间段。
进一步的，所述第一设定时间段为4s-5s，所述第二设定时间段为2s-3s。
相对于现有技术，本发明所述的汽油发动机催化器的过量空气系数控制方法具有以下优势：
本发明所述的汽油发动机催化器的过量空气系数控制方法，在发动机起动之后催化器未起燃之前的发动机怠速阶段，控制过量空气系数，以使过量空气系数在第一设定值与第二设定值二者之间交替切换，当所述过量空气系数被控制在所述第一设定值时，使得空燃比大于14.7以进行稀薄控制，减少NMOG的排放量；当所述过量空气系数被控制在所述第二设定值时，使得所述空燃比小于14.7以进行加浓控制，使CO与NOX发生反应，减少的NOX排放量，直至过量空气系数传感器实现闭环。通过上述交替组合控制，控制过量空气系数在第一设定值与第二设定值二者之间交替切换，以使NMOG和NOX的排放量同时减少。
本发明的另一目的在于提出一种汽油发动机催化器的过量空气系数控制装置，以通过所述汽油发动机催化器的过量空气系数控制装置在发动机起动之后催化器未起燃之前的发动机怠速阶段，控制过量空气系数在第一设定值与第二设定值二者之间交替切换，当所述过量空气系数被控制在所述第一设定值时，使得空燃比大于14.7以进行稀薄控制；当所述过量空气系数被控制在所述第二设定值时，使得所述空燃比小于14.7以进行加浓控制，直至过量空气系数传感器实现闭环，实现同时降低NMOG和NOX的排放量。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种汽油发动机催化器的过量空气系数控制装置，所述汽油发动机催化器的过量空气系数控制装置包括：
过量空气系数传感器，用于检测实际供给燃料燃烧的空气量，并计算所述实际供给燃料燃烧的空气量与预存的标准空气量之比；
控制器，用于在发动机起动之后催化器未起燃之前的发动机怠速阶段，调整燃料燃烧的空气的供给量，以使过量空气系数在第一设定值与第二设定值二者之间交替切换，直至过量空气系数传感器实现闭环；
其中，所述过量空气系数为实际供给燃料燃烧的空气量与标准空气量之比，当所述过量空气系数被控制在所述第一设定值时，使得空燃比大于14.7以进行稀薄控制；当所述过量空气系数被控制在所述第二设定值时，使得所述空燃比小于14.7以进行加浓控制。
进一步的，所述第一设定值取值范围为[1，1.05]，所述第二设定值的取值范围为[0.95，1]。
进一步的，所述汽油发动机催化器的过量空气系数控制装置还包括：计时器，用于检测过量空气系数替换至所述第一设定值或第二设定值后的持续时间；
所述控制过量空气系数在第一设定值与第二设定值二者之间交替切换包括：
所述控制器控制所述过量空气系数在所述第一设定值保持第一设定时间段后替换至所述第二设定值，以及控制所述过量空气系数在所述第二设定值保持第二设定时间段后替换至所述第一设定值。
进一步的，所述第一设定时间段大于所述第二设定时间段。
进一步的，所述第一设定时间段为4s-5s，所述第二设定时间段为2s-3s。
所述汽油发动机催化器的过量空气系数控制装置与上述汽油发动机催化器的过量空气系数控制方法相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为现有技术中稀薄控制策略及排放值的示意图；
图2为现有技术中加浓控制策略及排放值的示意图；
图3a为第一交替组合控制策略及排放值示意图；
图3b为第二交替组合控制策略及排放值示意图；
图3c为第三交替组合控制策略及排放值示意图；
图4为本发明实施方式所述的最优交替组合控制策略及排放值示意图；
图5为本发明实施方式所述的汽油发动机催化器的过量空气系数控制装置结构示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。
在发动机起动之后催化器未起燃之前的发动机怠速阶段，控制过量空气系数在第一设定值与第二设定值二者之间交替切换，具体地，该过量空气系数为实际供给燃料燃烧的空气量与标准空气量之比，且该过量空气系数是反映燃料与空气配合比的一个重要参数。其中，当过量空气系数被控制在所述第一设定值时，使得空燃比大于14.7以进行稀薄控制(过量空气系数大于1)，减少NMOH排放量。当过量空气系数控制在所述第二设定值时，使得空燃比小于14.7以进行加浓控制(过量空气系数小于1)，加浓控制阶段氧气含量较少，CO与NOX发生反应，减少NOX排放量。如此循环往复，控制过量空气系数在第一设定值与第二设定值二者之间交替切换，直至过量空气系数传感器实现闭环。
在发动机起动之后催化器未起燃之前的发动机怠速阶段，可以将过量空气系数控制在0,95-1.05之间，具体地，可以设定第一设定范围的取值范围为[1，1.05]，第二设定值的取值范围为[0.95，1]。其中过量空气系数的优选值为接近1的数值。
下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。
另外，对上述交替组合控制阶段中，稀薄控制和加浓控制的持续时间需进行说明。虽同为交替组合控制，但是稀薄控制和加浓控制的持续时间不同，对产生排放物的排放量也有影响。图3a-图3c示出了对稀薄控制和加浓控制的持续时间的不同控制导致不同排放量的示意图。
图3a示出了第一交替组合控制策略及排放值示意图，如图3a所示，控制过量空气系数在第一设定值保持第一设定时间段t1后替换至第二设定值，控制过量空气系数在第二设定值保持第二设定时间段t2后再替换回第一设定值。具体地，控制第一设定时间段t1大于第二设定时间段t2、第一设定时间段t1大于5s以及第二设定时间段t2大于0s，1时刻为过量空气系数传感器闭环时刻。如图3a所示，在上述第一交替组合控制策略所对应的设定时间段的控制方式下，NMOH的排放值为46，NOX的排放值为8，根据排放量数值可知，第一交替组合控制方式下的NMOG+NOX总量小于现有技术中单纯稀薄控制或单纯加浓控制下NMOG+NOX总量。
图3b示出了第二交替组合控制策略及排放值示意图，如图3b所示，控制过量空气系数在第一设定值保持第一设定时间段t1后替换至第二设定值，控制过量空气系数在第二设定值保持第二设定时间段t2后再替换回第一设定值。具体地，控制第一设定时间段t1大于第二设定时间段t2、第一设定时间段t1小于4s以及第二设定时间段t2大于0s，1时刻为过量空气系数传感器闭环时刻。如图3b所示，在上述第二交替组合控制策略所对应的设定时间段的控制方式下，NMOH的排放值为44，NOX的排放值为7，根据排放量数值可知，第二交替组合控制方式下的NMOG+NOX总量同样小于现有技术中单纯稀薄控制或单纯加浓控制下NMOG+NOX总量，并且第二交替组合控制方式下的NMOG+NOX总量还小于第一交替组合控制方式下的NMOG+NOX总量。
图3c示出了第三交替组合控制策略及排放值示意图，如图3c所示，控制过量空气系数在第一设定值保持第一设定时间段t1后替换至第二设定值，控制过量空气系数在第二设定值保持第二设定时间段t2后再替换回第一设定值。具体地，控制第一设定时间段t1小于等于第二设定时间段t2、第一设定时间段t1小于大于0s，1时刻为过量空气系数传感器闭环时刻。如图3c所示，在上述第三交替组合控制策略所对应的设定时间段的控制方式下，NMOH的排放值为56，NOX的排放值为6，根据排放量数值可知，第三交替组合控制方式下的NMOG+NOX总量大于现有技术中单纯稀薄控制NMOG+NOX总量，但小于现有技术中单纯加浓控制下NMOG+NOX总量。具体地，由于在第三交替组合控制方式下，控制第一设定时间段t1小于等于第二设定时间段t2(即稀薄控制时间小于等于加浓控制时间)、第一设定时间段t1小于大于0s，虽然NOX排放量较第一交替组合控制策略和第二交替组合控制策略有所减少，但减少量并不明显。然而由于稀薄控制时间短，未能有效减少NMOG的排放，然而在加浓控制时间较长NMOG的排放量大，从而导致NMOG+NOX总量明显大于现有技术中单纯稀薄控制下NMOG+NOX总量。
根据上述三种交替控制策略的试验结果可以得出，为减少NMOG+NOX总量，首先应控制过量空气系数在第一设定值保持的第一设定时间段t1大于过量空气系数在第二设定值保持的第二设定时间段t2，即控制稀薄控制时间大于加浓控制时间。
图4示出了本发明实施方式所述的最优交替组合控制策略及排放值示意图，同样的，控制过量空气系数在第一设定值保持第一设定时间段t1后替换至第二设定值，控制过量空气系数在第二设定值保持第二设定时间段t2后再替换回第一设定值，并且控制控制第一设定时间段t1大于等于第二设定时间段t2，1时刻为过量空气系数传感器闭环时刻。优选地，第一设定时间段t1为4s-5s，第二设定时间段t2为2s-3s。在发动机起动之后催化器未起燃之前的发动机怠速阶段，目标空燃比按非等时间进行交替组合控制，平均空燃比因为含氧量过多，将稀薄控制(空燃比大于14.7)的控制时间延长，即稀薄控制时间大于加浓控制(空燃比小于14.7)的控制时间，以此实现减少NMOG的产生，并且在燃烧混合气中的CO与NOX的氧化还原反应CO+NO→N2+CO2，从而降低NOX，从而降低NMOG+NOX总量。如图4示出的排放值可知，在上述最优交替组合控制方式下，NMOG的排放值为40，NOX的排放值为7，最优交替组合控制方式下NMOG+NOX总量明显小于现有技术单纯稀薄控制或单纯加浓控制下NMOG+NOX总量，并且小于上述三种交替控制策略试验中任一者NMOG+NOX总量。
上述最优交替组合控制策略中无需进行二次空气喷射操作，大大降低成本，利用上述最优交替组合控制策略可将SULEV20法规中NMOG+NOX总量降至更低值，可满足未来更为严苛的排放法规，极大提高车辆环保功能。
图5示出了本发明实施方式所述的汽油发动机催化器的过量空气系数控制装置结构示意图，如图5所示，所述汽油发动机催化器的过量空气系数控制装置可以包括过量空气系数传感器、控制器和计时器，具体地，所述过量空气系数传感器用于检测实际供给燃料燃烧的空气量，并计算所述实际供给燃料燃烧的空气量与预存的标准空气量之比。所述控制器用于在发动机起动之后催化器未起燃之前的发动机怠速阶段，调整燃料燃烧的空气的供给量，以使过量空气系数在第一设定值与第二设定值二者之间交替切换，直至过量空气系数传感器实现闭环。优选地，第一设定值取值范围为[1，1.05]，所述第二设定值的取值范围为[0.95，1]。所述计时器用于检测过量空气系数替换至所述第一设定值或第二设定值后的持续时间。所述控制过量空气系数在第一设定值与第二设定值二者之间交替切换包括：所述控制器控制所述过量空气系数在所述第一设定值保持第一设定时间段t1后替换至所述第二设定值，以及控制所述过量空气系数在所述第二设定值保持第二设定时间段t2后替换至所述第一设定值。优选地，所述第一设定时间段t1大于所述第二设定时间段t2，并且第一设定时间段t1为4s-5s，所述第二设定时间t2段为2s-3s。
针对上述技术方案还可以提供其他替换方案，例如可以通过轻度加浓燃烧(及空燃比小于14.7)，同时采用二次空气喷射技术在排气管中二次喷射空气，即通过泵或吸气阀或其他方法，将空气导入排气***中，帮助氧化排气中的THC(碳氢化合物)和CO(一氧化碳)。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种汽油发动机催化器的过量空气系数控制方法，其特征在于，所述汽油发动机催化器的过量空气系数控制方法包括：
在发动机起动之后催化器未起燃之前的发动机怠速阶段，控制过量空气系数在第一设定值与第二设定值二者之间交替切换，直至过量空气系数传感器实现闭环；
其中，所述过量空气系数为实际供给燃料燃烧的空气量与标准空气量之比，当所述过量空气系数被控制在所述第一设定值时，使得空燃比大于14.7以进行稀薄控制；当所述过量空气系数被控制在所述第二设定值时，使得所述空燃比小于14.7以进行加浓控制，
所述控制过量空气系数在第一设定值与第二设定值二者之间交替切换包括：控制所述过量空气系数在所述第一设定值保持第一设定时间段后替换至所述第二设定值，以及控制所述过量空气系数在所述第二设定值保持第二设定时间段后替换至所述第一设定值，所述第一设定时间段大于所述第二设定时间段。
2.根据权利要求1所述的汽油发动机催化器的过量空气系数控制方法，其特征在于，所述第一设定值取值范围为[1，1.05]，所述第二设定值的取值范围为[0.95，1]。
3.根据权利要求1所述的汽油发动机催化器的过量空气系数控制方法，其特征在于，所述第一设定时间段为4s-5s，所述第二设定时间段为2s-3s。
4.一种汽油发动机催化器的过量空气系数控制装置，其特征在于，所述汽油发动机催化器的过量空气系数控制装置包括：
过量空气系数传感器，用于检测实际供给燃料燃烧的空气量，并计算所述实际供给燃料燃烧的空气量与预存的标准空气量之比；
控制器，用于在发动机起动之后催化器未起燃之前的发动机怠速阶段，调整燃料燃烧的空气的供给量，以使过量空气系数在第一设定值与第二设定值二者之间交替切换，直至过量空气系数传感器实现闭环；
其中，所述过量空气系数为实际供给燃料燃烧的空气量与标准空气量之比，当所述过量空气系数被控制在所述第一设定值时，使得空燃比大于14.7以进行稀薄控制；当所述过量空气系数被控制在所述第二设定值时，使得所述空燃比小于14.7以进行加浓控制，
所述控制过量空气系数在第一设定值与第二设定值二者之间交替切换包括：所述控制器控制所述过量空气系数在所述第一设定值保持第一设定时间段后替换至所述第二设定值，以及控制所述过量空气系数在所述第二设定值保持第二设定时间段后替换至所述第一设定值，所述第一设定时间段大于所述第二设定时间段。
5.根据权利要求4所述的汽油发动机催化器的过量空气系数控制装置，其特征在于，所述第一设定值取值范围为[1，1.05]，所述第二设定值的取值范围为[0.95，1]。
6.根据权利要求4所述的汽油发动机催化器的过量空气系数控制装置，其特征在于，所述汽油发动机催化器的过量空气系数控制装置还包括：计时器，用于检测过量空气系数替换至所述第一设定值或第二设定值后的持续时间。
7.根据权利要求4所述的汽油发动机催化器的过量空气系数控制装置，其特征在于，所述第一设定时间段为4s-5s，所述第二设定时间段为2s-3s。
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