CN115217596B - 一种发动机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种发动机及其控制方法，涉及发动机领域。发动机包括稀燃气缸组、浓燃气缸组、进气通道、排气通道和并列布置的两个尾气处理结构；稀燃气缸组连接稀燃排气管路，稀燃排气管路分接有第一支路和第二支路；浓燃气缸组连接浓燃排气管路，浓燃排气管路分接有第三支路和第四支路；两个尾气处理结构均包括串联的TWC部件和LNT部件，第一支路和第三支路连接于一个尾气处理结构，第二支路和第四支路连接于另一个尾气处理结构；还包括安装在稀燃排气管路的稀燃阀门、安装在浓燃排气管路的浓燃阀门和主控制器，主控制器分别与稀燃阀门、浓燃阀门电连接，以控制稀燃排气和浓燃排气交替流向两个尾气处理结构，实现了最佳的尾气排放控制。

Description

一种发动机及其控制方法

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，特别是涉及一种发动机及其控制方法。

背景技术

随着国内排放法规的日益严苛，高热效率的发动机设计成为开发目标，而汽油发动机稀薄燃烧是可实现45％热效率的有效技术。

发动机稀燃技术是指发动机实际燃烧过程中的空燃比高于化学计量空燃比，其能够提高燃油经济性，降低CO、H2、烃类气体的排放。但在过量空气系数大于1时，传统三元催化器后处理***(TWC)对氮氧化合物(NOx)的催化能力急剧下降，导致Nox排放超标。

氮氧化合物捕集器(LNT)能吸附稀薄燃烧时的Nox成分，如现有技术中公开了一种燃料燃烧***，具体包括稀薄燃烧气缸、米勒循环燃烧气缸、第一进气流道、第二进气流道、第一排气流道、第二排气流道、流道切换装置和双极LNT催化器；双极LNT催化器包括LNT－A极和LNT－B极。该***采用双极LNT催化器，分别利用稀薄燃烧模式排气氮氧化物含量高和米勒循环燃烧模式排气还原性气体含量高的特点，来同时进行LNT－A极和LNT－B极对氮氧化物的吸附捕集与脱附催化转换过程，同时切换废气流向实现循环，避免发动机稀薄燃烧运转过程中频繁浓稀切换的过程。

但是，现有技术中的燃料燃烧***无法同时控制Nox气体排放，以及CO、H2、烃类等还原性气体排放，不能实现最佳的尾气排放控制，难以确保发动机的扭矩稳定输出。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种发动机及其控制方法，以解决现有燃烧***无法同时控制Nox气体排放，以及CO、H2、烃类等还原性气体排放，不能实现最佳的尾气排放控制，难以确保发动机的扭矩稳定输出的问题。

本发明的发动机的技术方案为：

发动机包括稀燃气缸组、浓燃气缸组、进气通道、排气通道和并列布置的两个尾气处理结构，所述进气通道分别连接于所述稀燃气缸组的进气口和浓燃气缸组的进气口；

所述排气通道包括稀燃排气管路和浓燃排气管路，所述稀燃气缸组的排气口连接所述稀燃排气管路，所述稀燃排气管路的末端分接有第一支路和第二支路；所述浓燃气缸组的排气口连接所述浓燃排气管路，所述浓燃排气管路的末端分接有第三支路和第四支路；

两个所述尾气处理结构均包括串联的TWC部件和LNT部件，所述第一支路和第三支路连接于一个所述尾气处理结构，所述第二支路和第四支路连接于另一个所述尾气处理结构；

还包括稀燃阀门、浓燃阀门和主控制器，所述稀燃阀门安装在所述稀燃排气管路的末端，所述浓燃阀门安装在所述浓燃排气管路的末端，所述主控制器分别与所述稀燃阀门、浓燃阀门电连接，以控制稀燃排气和浓燃排气交替流向两个所述尾气处理结构。

进一步的，两个所述尾气处理结构的末端均连接有尾气管路，两个所述尾气管路上分别设有排放检测传感器，所述排放检测传感器用于检测排气中HC、CO和Nox成分，所述排气检测传感器分别与所述主控制器电连接，以将检测结果发送信号至所述主控制器。

进一步的，所述TWC部件串联布置在所述LNT部件的上游位置。

进一步的，所述尾气处理结构还包括后置式的GPF部件，所述后置式的GPF部件与所述TWC部件、LNT部件串联布置。

进一步的，所述稀燃气缸组包括一号气缸和四号气缸，所述稀燃排气管路为分别连接于所述一号气缸和四号气缸的稀燃排气歧管；

所述浓燃气缸组包括二号气缸和三号气缸，所述浓燃排气管路为分别连接于所述二号气缸和三号气缸的浓燃排气歧管。

进一步的，所述稀燃气缸组包括二号气缸和三号气缸，所述稀燃排气管路为分别连接于所述二号气缸和三号气缸的稀燃排气歧管；

所述浓燃气缸组包括一号气缸和四号气缸，所述浓燃排气管路为分别连接于所述一号气缸和四号气缸的浓燃排气歧管。

进一步的，所述稀燃阀门、浓燃阀门均为三通阀结构，所述三通阀结构具有一进一出的状态和一进两出的状态。

进一步的，所述主控制器为ECU控制单元，所述ECU控制单元设有排放物限值，以在所述排放检测传感器检测到的结果超过排放物限值时，分别控制所述稀燃阀门、浓燃阀门切换排气流向。

本发明的发动机的控制方法的技术方案为：

发动机的控制方法包括以下步骤：

启动后，稀燃气缸组处于稀燃工作模式，稀燃排气流向一个尾气处理结构，一个尾气处理结构中的TWC部件净化HC、CO成分，LNT部件吸附Nox成分；

浓燃气缸组处于浓燃工作模式，浓燃排气流向另一个尾气处理结构，另一个尾气处理结构中的TWC部件净化HC、CO成分，LNT部件吸附的Nox成分发生脱附，并与HC、H2、CO成分反应生成N2；

运行过程中，检测HC、CO和Nox成分是否超过排放物限值；

如超过限值，则主控制器控制稀燃阀门和浓燃阀门切换排气流向，稀燃排气流向另一个尾气处理结构，另一个尾气处理结构中的TWC部件净化HC、CO成分，LNT部件吸附Nox成分；

浓燃排气流向一个尾气处理结构，一个尾气处理结构中的TWC部件净化HC、CO成分，LNT部件吸附的Nox成分发生脱附，并与HC、H2、CO成分反应生成N2。

进一步的，还包括：判断稀燃阀门和浓燃阀门是否切换到位，如完成则进行下一步骤，否则继续操作切换动作；

判断发动机是否有停机请求，如有停机请求则进行停机操作，否则返回至发动机的运行状态。

有益效果：该发动机采用了稀燃气缸组、浓燃气缸组、稀燃排气管路、浓燃排气管路以及两个尾气处理结构的设计形式，在发动机的运行中，通过主控制器调节稀燃排气和浓燃排气交替流向两个尾气处理结构，即由原来的稀燃排气经第一支路流向一个尾气处理结构调整至稀燃排气经第二支路流向另一个尾气处理结构；相对应的，由原来的浓燃排气经第四支路流向另一个尾气处理结构调整至浓燃排气经第三支路流向一个尾气处理结构。

由于稀燃排气中Nox成分高，主要利用尾气处理结构的LNT部件吸附大量的Nox成分。当切换至浓燃排气流通该尾气处理结构后，浓燃排气中含大量还原性气体如HC、CO等成分，先经TWC部件净化一部分，剩余部分经过LNT部件时，LNT部件吸附的Nox发生脱附，保证对后续Nox成分起到再吸附作用，而且，还可使浓燃排气中过量的还原性气体如HC、CO等成分得以充分消耗。同时控制Nox气体排放，以及CO、H2、烃类等还原性气体排放，实现最佳的尾气排放控制，确保发动机的扭矩稳定输出。

附图说明

图1为本发明的发动机的的具体实施例中发动机的结构示意图；

图2为图1中稀燃排气管路与第一支路和第二支路的局部示意图；

图3为本发明的发动机的的具体实施例中发动机的控制方法的流程图。

图中：1－进气通道、11－一号气缸、12－二号气缸、13－三号气缸、14－四号气缸、2－稀燃排气管路、20－稀燃阀门、21－第一支路、22－第二支路；

3－浓燃排气管路、30－浓燃阀门、31－第三支路、32－第四支路、4－尾气处理结构、41－TWC部件、42－LNT部件、43－排放检测传感器、5－主控制器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的发动机的具体实施例1，如图1至图3所示，发动机包括稀燃气缸组、浓燃气缸组、进气通道1、排气通道和并列布置的两个尾气处理结构4，进气通道1分别连接于稀燃气缸组的进气口和浓燃气缸组的进气口；排气通道包括稀燃排气管路2和浓燃排气管路3，稀燃气缸组的排气口连接稀燃排气管路2，稀燃排气管路2的末端分接有第一支路21和第二支路22；浓燃气缸组的排气口连接浓燃排气管路3，浓燃排气管路3的末端分接有第三支路31和第四支路32。

两个尾气处理结构4均包括串联的TWC部件41和LNT部件42，第一支路21和第三支路31连接于一个尾气处理结构4，第二支路22和第四支路32连接于另一个尾气处理结构；该发动机还包括稀燃阀门20、浓燃阀门30和主控制器5，稀燃阀门20安装在稀燃排气管路2的末端，浓燃阀门30安装在浓燃排气管路3的末端，主控制器5分别与稀燃阀门20、浓燃阀门30电连接，以控制稀燃排气和浓燃排气交替流向两个尾气处理结构4。

该发动机采用了稀燃气缸组、浓燃气缸组、稀燃排气管路2、浓燃排气管路3以及两个尾气处理结构4的设计形式，在发动机的运行中，通过主控制器4调节稀燃排气和浓燃排气交替流向两个尾气处理结构5，即由原来的稀燃排气经第一支路21流向一个尾气处理结构4调整至稀燃排气经第二支路22流向另一个尾气处理结构；相对应的，由原来的浓燃排气经第四支路32流向另一个尾气处理结构调整至浓燃排气经第三支路31流向一个尾气处理结构4。

由于稀燃排气中Nox成分高，主要利用尾气处理结构4的LNT部件42吸附大量的Nox成分。当切换至浓燃排气流通该尾气处理结构4后，浓燃排气中含大量还原性气体如HC、CO等成分，先经TWC部件41净化一部分，剩余部分经过LNT部件42时，LNT部件吸附的Nox发生脱附，保证对后续Nox成分起到再吸附作用，而且，还可使浓燃排气中过量的还原性气体如HC、CO等成分得以充分消耗。同时控制Nox气体排放，以及CO、H2、烃类等还原性气体排放，实现最佳的尾气排放控制，确保发动机的扭矩稳定输出。

在本实施例中，两个尾气处理结构4的末端均连接有尾气管路，两个尾气管路上分别设有排放检测传感器43，排放检测传感器43用于检测排气中HC、CO和Nox成分，排气检测传感器43分别与主控制器5电连接，以将检测结果发送信号至主控制器5。

具体的，TWC部件41串联布置在LNT部件42的上游位置，TWC部件41为三元催化器，LNT部件42为氮氧化合物捕集器。并且，尾气处理结构4还包括后置式的GPF部件(图中未示出)，后置式的GPF部件与TWC部件41、LNT部件42串联布置，GPF部件即汽油颗粒捕集器。在本实施例中，TWC部件41与GPF部件集成耦合在一起，具有了三元催化器和汽油颗粒捕集器的功能。为了满足不同的使用需求，在其他实施例中，还可将后置式的GPF部件省去。

其中，该发动机为四缸发动机，点火顺序为1－3－4－2，稀燃气缸组包括一号气缸11和四号气缸14，稀燃排气管路2为分别连接于一号气缸11和四号气缸14的稀燃排气歧管；浓燃气缸组包括二号气缸12和三号气缸13，浓燃排气管路2为分别连接于二号气缸12和三号气缸13的浓燃排气歧管。

另外，稀燃阀门20、浓燃阀门30均为三通阀结构，三通阀结构具有一进一出的状态和一进两出的状态。该三通阀结构设计一个入口和两个出口，阀体的内部设有阀片，控制调节阀片的位置或角度，实现入口与任意一个出口连通且与另一个出口断开，还可与两个出口均均连通。也就是说，该三通阀结构可控制仅排气流向其中一个支路，还控制排气分流至两个支路。

在本实施例中，主控制器5为ECU控制单元，ECU控制单元设有排放物限值，以在排放检测传感器43检测到的结果超过排放物限值时，分别控制所述稀燃阀门20、浓燃阀门30切换排气流向。

其中，该发动机的控制方法，如图3所示，包括以下步骤：

步骤一、启动后，稀燃气缸组处于稀燃工作模式，稀燃排气流向一个尾气处理结构4，一个尾气处理结构4中的TWC部件41净化HC、CO成分，LNT部件42吸附Nox成分；稀燃排气中含大量Nox成分，TWC部件41净化稀燃排气中的大部分HC、CO成分，LNT部件42吸附剩余的Nox成分；

浓燃气缸组处于浓燃工作模式，浓燃排气流向另一个尾气处理结构，另一个尾气处理结构中的TWC部件41净化HC、CO成分，LNT部件42吸附的Nox成分发生脱附，并与HC、H2、CO成分反应生成N2；浓燃排气中含大量还原性气体如HC、CO等成分，TWC部件41净化一部分HC、CO以及Nox成分，从LNT部件42脱附的Nox与剩余浓燃排气中的HC、H2、CO等还原性成分反应生成N2。

步骤二、发动机稳定运行过程中，每隔一定时间分别检测两个检测尾气处理结构中LNT部件42下游的HC、CO和Nox成分是否超过排放物限值；

步骤三、如超过限值，则主控制器5控制稀燃阀门20和浓燃阀门30切换排气流向，稀燃排气流向另一个尾气处理结构，另一个尾气处理结构中的TWC部件净化HC、CO成分，LNT部件吸附Nox成分；浓燃排气流向一个尾气处理结构，一个尾气处理结构中的TWC部件净化HC、CO成分，LNT部件吸附的Nox成分发生脱附，并与HC、H2、CO成分反应生成N2。即步骤一中两个尾气处理结构的反应反转，不仅使LNT部件吸附的Nox发生脱附，保证对后续Nox成分起到再吸附作用，而且，还可使浓燃排气中过量的还原性气体如HC、CO等成分得以充分消耗。

还包括：步骤四、判断稀燃阀门20和浓燃阀门30是否切换到位，如完成则进行下一步骤，否则继续操作切换动作；

步骤五、判断发动机是否有停机请求，如有停机请求则进行停机操作，否则返回至发动机的运行状态。

本发明的发动机的其他具体实施例，可根据实际使用需求进行调整，例如：稀燃气缸组包括二号气缸和三号气缸，稀燃排气管路为分别连接于二号气缸和三号气缸的稀燃排气歧管；浓燃气缸组包括一号气缸和四号气缸，浓燃排气管路为分别连接于一号气缸和四号气缸的浓燃排气歧管，同样能够实现最佳的尾气排放控制的目的。

本发明的发动机的控制方法的具体实施例，与本发明的发动机的具体实施方式中发动机的控制方法的具体实施例相同，在此不再赘述。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种发动机，其特征是，包括稀燃气缸组、浓燃气缸组、进气通道、排气通道和并列布置的两个尾气处理结构，所述进气通道分别连接于所述稀燃气缸组的进气口和浓燃气缸组的进气口；

所述排气通道包括稀燃排气管路和浓燃排气管路，所述稀燃气缸组的排气口连接所述稀燃排气管路，所述稀燃排气管路的末端分接有第一支路和第二支路；所述浓燃气缸组的排气口连接所述浓燃排气管路，所述浓燃排气管路的末端分接有第三支路和第四支路；

两个所述尾气处理结构均包括串联的TWC部件和LNT部件，所述第一支路和第三支路连接于一个所述尾气处理结构，所述第二支路和第四支路连接于另一个所述尾气处理结构；

还包括稀燃阀门、浓燃阀门和主控制器，所述稀燃阀门安装在所述稀燃排气管路的末端，所述浓燃阀门安装在所述浓燃排气管路的末端，所述主控制器分别与所述稀燃阀门、浓燃阀门电连接，以控制稀燃排气和浓燃排气交替流向两个所述尾气处理结构；

所述稀燃阀门、浓燃阀门均为三通阀结构，所述三通阀结构具有一进一出的状态和一进两出的状态；

所述主控制器还用于判断所述稀燃阀门和所述浓燃阀门是否切换到位，如完成则进行下一步骤，否则继续操作切换动作；

两个所述尾气处理结构的末端均连接有尾气管路，两个所述尾气管路上分别设有排放检测传感器，所述排放检测传感器用于检测排气中HC、CO和Nox成分，所述排放检测传感器分别与所述主控制器电连接，以将检测结果发送信号至所述主控制器；

所述主控制器为ECU控制单元，所述ECU控制单元设有排放物限值，以在所述排放检测传感器检测到的结果超过排放物限值时，分别控制所述稀燃阀门、浓燃阀门切换排气流向。

2.根据权利要求1所述的发动机，其特征是，所述TWC部件串联布置在所述LNT部件的上游位置。

3.根据权利要求2所述的发动机，其特征是，所述尾气处理结构还包括后置式的GPF部件，所述后置式的GPF部件与所述TWC部件、LNT部件串联布置。

4.根据权利要求1至3任一项所述的发动机，其特征是，所述稀燃气缸组包括一号气缸和四号气缸，所述稀燃排气管路为分别连接于所述一号气缸和四号气缸的稀燃排气歧管；

所述浓燃气缸组包括二号气缸和三号气缸，所述浓燃排气管路为分别连接于所述二号气缸和三号气缸的浓燃排气歧管。

5.根据权利要求1至3任一项所述的发动机，其特征是，所述稀燃气缸组包括二号气缸和三号气缸，所述稀燃排气管路为分别连接于所述二号气缸和三号气缸的稀燃排气歧管；

所述浓燃气缸组包括一号气缸和四号气缸，所述浓燃排气管路为分别连接于所述一号气缸和四号气缸的浓燃排气歧管。

6.一种发动机的控制方法，其特征是，所述控制方法用于控制如权利要求1－5任一项所述的发动机，包括以下步骤：

启动后，稀燃气缸组处于稀燃工作模式，稀燃排气流向一个尾气处理结构，一个尾气处理结构中的TWC部件净化HC、CO成分，LNT部件吸附Nox成分；

浓燃气缸组处于浓燃工作模式，浓燃排气流向另一个尾气处理结构，另一个尾气处理结构中的TWC部件净化HC、CO成分，LNT部件吸附的Nox成分发生脱附，并与HC、H₂、CO成分反应生成N₂；

运行过程中，检测HC、CO和Nox成分是否超过排放物限值；

如超过限值，则主控制器控制稀燃阀门和浓燃阀门切换排气流向，稀燃排气流向另一个尾气处理结构，另一个尾气处理结构中的TWC部件净化HC、CO成分，LNT部件吸附Nox成分；

浓燃排气流向一个尾气处理结构，一个尾气处理结构中的TWC部件净化HC、CO成分，LNT部件吸附的Nox成分发生脱附，并与HC、H₂、CO成分反应生成N₂。

7.根据权利要求6所述的发动机的控制方法，其特征是，还包括：

判断稀燃阀门和浓燃阀门是否切换到位，如完成则进行下一步骤，否则继续操作切换动作；

判断发动机是否有停机请求，如有停机请求则进行停机操作，否则返回至发动机的运行状态。