CN102926849A - 一种降低发动机尾气排放的装置及方法 - Google Patents

一种降低发动机尾气排放的装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种降低发动机有害排放的装置及方法，装置主要包括氢气存储装置、进气混氢喷嘴、发动机、排气混氢喷嘴、排气温度传感器、催化反应器、电子控制单元。本发明通过电子控制单元收集发动机转速、负荷和排气温度信号，在发动机进气中喷入氢气实现混氢燃烧，从而降低尾气中HC和CO的目的，然而NOx的排放有所升高。因此，在发动机排气中混入氢气，在催化剂和一定的温度条件下，利用氢气良好的还原性减少尾气中的NOx。最终改善发动机缸内燃烧，减少车辆HC、CO和NOx的排放，从而达到了节能减排的目的。

Description

一种降低发动机尾气排放的装置及方法
技术领域
本发明提供了一种降低发动机有害排放的装置及方法，主要通过电子控制单元采集发动机转速、负荷和排气温度信号，在发动机进气中喷入氢气实现混氢燃烧，从而降低尾气中HC和CO的目的，然而NOx的排放有所升高。因此，在发动机排气中混入氢气，在催化剂和一定的温度条件下，利用氢气良好的还原性减少尾气中的NOx。最终改善发动机缸内燃烧，减少车辆HC、CO和NOx的排放，从而达到了节能减排的目的。
背景技术
随着我国汽车产业的快速发展，化石资源的不断消耗和日益严重的环境污染问题受到了广泛的关注，寻找绿色、清洁的可再生能源已经刻不容缓。氢气由于具有良好的理化特性，被认为是未来最有希望的绿色能源之一。研究表明，与依靠单一化石燃料的传统发动机相比，在进气中混入氢气，进而实现缸内混合燃烧的混氢发动机，在燃油消耗、热效率以及HC、CO等排放均有着明显的优势。然而，由于混氢发动机的缸内燃烧温度较高，NOx排放也相对较高。NOx与HC经紫外线照射发生反应会形成光化学烟雾。光化学烟雾具有特殊气味、刺激眼睛、伤害植物，并能使大气能见度降低。另外，氮氧化物与空气中的水反应生成的硝酸和亚硝酸还会形成酸雨。目前可以通过尿素选择性催化还原（SCR）技术降低发动机尾气中的NOx排放，但车辆必须定期添加尿素，而且控制***复杂，成本高，低温环境下尿素会结晶无法喷入反应器，还可能出现尿素喷入过量直接排入大气形成新的污染问题。而NOx具有强氧化性，氢气又具有强还原性。因此，对于混氢发动机而言，尾气中引入氢气，在贵金属Rh催化剂和一定的温度条件下，NOx可以被有效地转化为对环境无害的N2。
发明内容
本发明提供了一种降低发动机有害排放的装置及方法，本***可以实现发动机进气和排气混氢，逐步净化发动机尾气的目的。主要通过电子控制单元收集发动机转速、负荷和排气温度信号，在发动机进气中喷入氢气实现混氢燃烧，从而降低尾气中HC和CO的目的，然而进气混氢后，发动机NOx的排放有所升高。因此，在发动机排气中混入氢气，在催化剂和一定的温度条件下，利用氢气良好的还原性减少尾气中的NOx。最终改善发动机缸内燃烧，达到减少车辆HC、CO和NOx的排放的目的。
一种降低发动机有害排放的装置，其包括：氢气存储装置1、进气混氢喷嘴2、发动机3、排气混氢喷嘴4、排气温度传感器5、催化反应器6、电子控制单元7。其中发动机3的排气管和回收发动机尾气余热并进行催化的催化反应器6相连；与氢气存储装置1相连的进气混氢喷嘴2和排气混氢喷嘴4分别将氢气喷入发动机的进气管和排气管；电子控制单元7的输入端通过排气温度传感器5采集排气管内尾气的温度，并同时接收发动机3的转速信号8和负荷信号9；电子控制单元7的输出端分别连接到控制进气混氢量的进气混氢喷嘴2和控制排气混氢量的排气混氢喷嘴4的控制端。
所述的一种降低发动机有害排放的装置的控制方法：首先发动机的电子控制单元7通过采集发动机转速信号8和负荷信号9判断发动机3的工况，调节控制进气混氢喷嘴2将氢气存储装置1中的氢气喷入发动机进气管中，从而实现发动机进气混氢；同时电子控制单元7通过采集发动机转速信号8、负荷信号9和排气温度传感器5判断发动机3的工况和排气温度，调节控制排气混氢喷嘴4将氢气存储装置1中的氢气喷入发动机排气管中，从而实现发动机排气混氢，最终发动机3尾气经过催化反应器6排出。
对于不同的发动机工况，采用不同的进气混氢控制策略，其控制方法如下：
Ⅰ）当电子控制单元7采集到转速信号8和负荷信号9，判断发动机3处于冷启动工况时，电子控制单元7调节进气混氢喷嘴2至完全开启状态，使氢气存储装置1中的氢气进入发动机的进气管；
Ⅱ）当电子控制单元7采集到转速信号8和负荷信号9，判断发动机3处于中低转速和负荷工况时，电子控制单元7调节进气混氢喷嘴2至完全开启状态的1/2，使氢气存储装置1中的氢气进入发动机的进气管；
Ⅲ）当电子控制单元7采集到转速信号8和负荷信号9，判断发动机3处于中高转速和负荷工况时，电子控制单元7调节进气混氢喷嘴2至完全开启状态的1/4，使氢气存储装置1中的氢气进入发动机的进气管；
Ⅳ）当电子控制单元7采集到转速信号8和负荷信号9，判断发动机3处于高转速和负荷工况时，电子控制单元7调节进气混氢喷嘴2至完全闭合状态，避免氢气存储装置1中的氢气进入发动机的进气管。
进一步的，对于不同的发动机工况和排气温度条件，采用不同的排气混氢控制策略，其控制方法如下：
Ⅰ）当电子控制单元7通过排气温度传感器5检测到排气温度低于250℃时，电子控制单元7调节排气混氢喷嘴4至完全闭合状态，避免氢气存储装置1中的氢气进入发动机的排气管；
Ⅱ）当电子控制单元7通过排气温度传感器5检测到排气温度高于250℃，并通过转速信号8和负荷信号9判断发动机3处于冷启动工况时，电子控制单元7调节排气混氢喷嘴4至完全闭合状态，避免氢气存储装置1中的氢气进入发动机的排气管；
Ⅲ）当电子控制单元7通过排气温度传感器5检测到排气温度高于250℃，并通过转速信号8和负荷信号9判断发动机3处于中低转速和负荷工况时，电子控制单元7调节排气混氢喷嘴4至完全开启状态的1/4，使氢气存储装置1中的氢气进入发动机的排气管；
Ⅳ）当电子控制单元7通过排气温度传感器5检测到排气温度高于250℃，并通过转速信号8和负荷信号9判断发动机3处于中高转速和负荷工况时，电子控制单元7调节排气混氢喷嘴4至完全开启状态的1/2，使氢气存储装置1中的氢气进入发动机的排气管；
Ⅴ）当电子控制单元7通过排气温度传感器5检测到排气温度高于250℃，并通过转速信号8和负荷信号9判断发动机3处于高转速和负荷工况时，电子控制单元7调节排气混氢喷嘴4至完全开启状态，使氢气存储装置1中的氢气进入发动机的排气管。
本发明可以获得如下有益效果：
为了降低传统发动机尾气有害排放的目的，通过电子控制单元采集发动机转速和负荷条件，判断发动机的所处工况，在进气中混入氢气，可以改善发动机的缸内燃烧，减少燃油消耗，降低尾气中HC和CO的排放。然而混氢发动机的NOx生成量比较高，因此，在满足催化剂的起燃温度前提下，根据发动机所处的不通工况条件下，在发动机排气中引入不同比例的氢气，可以有效降低尾气中NOx的排放。此***通过进气和排气混氢，逐步的实现了降低发动机有害排放的目的。
附图说明
图1本发明的结构和工作原理图。
图中1.氢气存储装置2.进气混氢喷嘴3.发动机4.排气混氢喷嘴5.排气温度传感器6.催化反应器7.电子控制单元8.发动机转速信号9.发动机负荷信号10.排气温度信号.
具体实施方式
下面结合图1说明本实施方式。
一种降低发动机有害排放的装置及方法，主要包括：氢气存储装置1、进气混氢喷嘴2、发动机3、排气混氢喷嘴4、排气温度传感器5、催化反应器6、电子控制单元7。
其中发动机3的排气管和回收发动机尾气余热并进行催化的催化反应器6相连；与氢气存储装置1相连的进气混氢喷嘴2和排气混氢喷嘴4分别将氢气喷入发动机的进气管和排气管；电子控制单元7的输入端通过排气温度传感器5采集排气管内尾气的温度，并同时接收发动机3的转速信号8和负荷信号9；电子控制单元7的输出端分别连接到控制进气混氢量的进气混氢喷嘴2和控制排气混氢量的排气混氢喷嘴4的控制端。
本发明所述的方法采用了如下技术方案：首先发动机的电子控制单元7通过采集发动机转速信号8和负荷信号9判断发动机3的工况，调节控制进气混氢喷嘴2将氢气存储装置1中的氢气喷入发动机进气管中，从而实现发动机进气混氢；同时电子控制单元7通过采集发动机转速信号8、负荷信号9和排气温度传感器5判断发动机3的工况和排气温度，调节控制排气混氢喷嘴4将氢气存储装置1中的氢气喷入发动机排气管中，从而实现发动机排气混氢，最终发动机3尾气经过催化反应器6排出。
对于不同的发动机工况，采用不同的进气混氢控制策略，其控制方法如下：
Ⅰ）当电子控制单元7采集到转速信号8和负荷信号9，判断发动机3处于冷启动工况时，发动机需要浓燃混合气才能保证快速启动，但此时缸内浓燃混合气燃烧产生的排放也比较严重。因此，用氢气替代汽油实现发动机的冷启动可以显著降低发动机有害排放。此时，电子控制单元7调节进气混氢喷嘴2至完全开启状态，使氢气存储装置1中的氢气进入发动机的进气管，实现发动机纯氢气冷启动；
Ⅱ）当电子控制单元7采集到转速信号8和负荷信号9，判断发动机3处于中低转速和负荷工况时，应在进气中混入较高比例的氢气。氢气由于具有良好的理化特性，可以优化缸内燃烧，减少燃油消耗，并且降低有害排放。此时，电子控制单元7调节进气混氢喷嘴2至完全开启状态的1/2，使氢气存储装置1中的氢气进入发动机的进气管，实现发动机混氢运行；
Ⅲ）当电子控制单元7采集到转速信号8和负荷信号9，判断发动机3处于中高转速和负荷工况时，应在进气中混入较低比例的氢气。进气中引入氢气可以优化缸内燃烧，减少有害排放，但是为了保证发动机较高的动力需求，进气中混氢比例不能过大。此时，电子控制单元7调节进气混氢喷嘴2至完全开启状态的1/4，使氢气存储装置1中的氢气进入发动机的进气管，实现发动机混氢运行；
Ⅳ）当电子控制单元7采集到转速信号8和负荷信号9，判断发动机3处于高转速和负荷工况时，应避免氢气进入发动机的进气中。高转速和负荷工况要求的发动机对于动力需求最高，此时，电子控制单元7调节进气混氢喷嘴2至完全闭合状态，避免氢气存储装置1中的氢气进入发动机的进气管，实现发动机纯燃油运行。
由于发动机进气中混入了氢气，使得尾气中的HC和CO排放降低，但是NOx的排放有所升高。因此，对于不同的发动机工况和排气温度条件，采用不同的排气混氢控制策略，以降低尾气中的NOx，其控制方法如下：
Ⅰ）当电子控制单元7通过排气温度传感器5检测到排气温度低于250℃时，催化反应器6中的催化剂还未达到起燃温度。催化剂还不能有效降低尾气中的NOx，此时，电子控制单元7调节排气混氢喷嘴4至完全闭合状态，避免氢气存储装置1中的氢气进入发动机的排气管；
Ⅱ）当电子控制单元7通过排气温度传感器5检测到排气温度高于250℃，并通过转速信号8和负荷信号9判断发动机3处于冷启动工况时，催化反应器6中的催化剂仍然未达到正常的工作温度。此时，电子控制单元7调节排气混氢喷嘴4至完全闭合状态，避免氢气存储装置1中的氢气进入发动机的排气管；
Ⅲ）当电子控制单元7通过排气温度传感器5检测到排气温度高于250℃，并通过转速信号8和负荷信号9判断发动机3处于中低转速和负荷工况时，尾气中的NOx排放还比较少，发动机排气中引入少量的氢气就可以减少NOx排放。此时，电子控制单元7调节排气混氢喷嘴4至完全开启状态的1/4，使氢气存储装置1中的氢气进入发动机的排气管；
Ⅳ）当电子控制单元7通过排气温度传感器5检测到排气温度高于250℃，并通过转速信号8和负荷信号9判断发动机3处于中高转速和负荷工况时，尾气中的NOx排放比较高，发动机排气中引入适度的氢气就可以减少NOx排放。此时，电子控制单元7调节排气混氢喷嘴4至完全开启状态的1/2，使氢气存储装置1中的氢气进入发动机的排气管；
Ⅴ）当电子控制单元7通过排气温度传感器5检测到排气温度高于250℃，并通过转速信号8和负荷信号9判断发动机3处于高转速和负荷工况时，发动机由于较高的缸内燃烧温度，尾气中NOx的产量最多。此时，发动机排气中引入大量的氢气才能减少NOx排放。此时，电子控制单元7调节排气混氢喷嘴4至完全开启状态，使氢气存储装置1中的氢气进入发动机的排气管。

Claims (4)

1.一种降低发动机有害排放的装置，其特征在于：其包括：氢气存储装置（1）、进气混氢喷嘴（2）、发动机（3）、排气混氢喷嘴（4）、排气温度传感器（5）、催化反应器（6）、电子控制单元（7）。其中发动机（3）的排气管和回收发动机尾气余热并进行催化的催化反应器（6）相连；与氢气存储装置（1）相连的进气混氢喷嘴（2）和排气混氢喷嘴（4）分别将氢气喷入发动机的进气管和排气管；电子控制单元（7）的输入端通过排气温度传感器（5）采集排气管内尾气的温度，并同时接收发动机（3）的转速信号（8）和负荷信号（9）；电子控制单元（7）的输出端分别连接到控制进气混氢量的进气混氢喷嘴（2）和控制排气混氢量的排气混氢喷嘴（4）的控制端。
2.权利要求1所述的一种降低发动机有害排放的装置的控制方法：首先发动机的电子控制单元（7）通过采集发动机转速信号（8）和负荷信号（9）判断发动机（3）的工况，调节控制进气混氢喷嘴（2）将氢气存储装置（1）中的氢气喷入发动机进气管中，从而实现发动机进气混氢；同时电子控制单元（7）通过采集发动机转速信号（8）、负荷信号（9）和排气温度传感器（5）判断发动机（3）的工况和排气温度，调节控制排气混氢喷嘴（4）将氢气存储装置（1）中的氢气喷入发动机排气管中，从而实现发动机排气混氢，最终发动机（3）尾气经过催化反应器（6）排出。
3.根据权利要求2所述的控制方法，对于不同的发动机工况，采用不同的进气混氢控制策略，其特征在于：
Ⅰ）当电子控制单元（7）采集到转速信号（8）和负荷信号（9），判断发动机（3）处于冷启动工况时，电子控制单元（7）调节进气混氢喷嘴（2）至完全开启状态，使氢气存储装置（1）中的氢气进入发动机的进气管；
Ⅱ）当电子控制单元（7）采集到转速信号（8）和负荷信号（9），判断发动机（3）处于中低转速和负荷工况时，电子控制单元（7）调节进气混氢喷嘴（2）至完全开启状态的1/2，使氢气存储装置（1）中的氢气进入发动机的进气管；
Ⅲ）当电子控制单元（7）采集到转速信号（8）和负荷信号（9），判断发动机（3）处于中高转速和负荷工况时，电子控制单元（7）调节进气混氢喷嘴（2）至完全开启状态的1/4，使氢气存储装置（1）中的氢气进入发动机的进气管；
Ⅳ）当电子控制单元（7）采集到转速信号（8）和负荷信号（9），判断发动机（3）处于高转速和负荷工况时，电子控制单元（7）调节进气混氢喷嘴（2）至完全闭合状态，避免氢气存储装置（1）中的氢气进入发动机的进气管。
4.根据权利要求3所述的控制方法，对于不同的发动机工况和排气温度条件，采用不同的排气混氢控制策略，其特征在于：具体控制方法如下：
Ⅰ）当电子控制单元（7）通过排气温度传感器（5）检测到排气温度低于250℃时，电子控制单元（7）调节排气混氢喷嘴（4）至完全闭合状态，避免氢气存储装置（1）中的氢气进入发动机的排气管；
Ⅱ）当电子控制单元（7）通过排气温度传感器（5）检测到排气温度高于250℃，并通过转速信号（8）和负荷信号（9）判断发动机（3）处于冷启动工况时，电子控制单元（7）调节排气混氢喷嘴（4）至完全闭合状态，避免氢气存储装置（1）中的氢气进入发动机的排气管；
Ⅲ）当电子控制单元（7）通过排气温度传感器（5）检测到排气温度高于250℃，并通过转速信号（8）和负荷信号（9）判断发动机（3）处于中低转速和负荷工况时，电子控制单元（7）调节排气混氢喷嘴（4）至完全开启状态的1/4，使氢气存储装置（1）中的氢气进入发动机的排气管；
Ⅳ）当电子控制单元（7）通过排气温度传感器（5）检测到排气温度高于250℃，并通过转速信号（8）和负荷信号（9）判断发动机（3）处于中高转速和负荷工况时，电子控制单元（7）调节排气混氢喷嘴（4）至完全开启状态的1/2，使氢气存储装置（1）中的氢气进入发动机的排气管；
Ⅴ）当电子控制单元（7）通过排气温度传感器（5）检测到排气温度高于250℃，并通过转速信号（8）和负荷信号（9）判断发动机（3）处于高转速和负荷工况时，电子控制单元（7）调节排气混氢喷嘴（4）至完全开启状态，使氢气存储装置（1）中的氢气进入发动机的排气管。
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