CN115929448A - 一种宽当量比氢内燃机用后处理装置及其控制方法 - Google Patents

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张允华
陈雅娟
房亮
许凯文
谭丕强
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Abstract

本发明涉及一种宽当量比氢内燃机用后处理装置及其控制方法。该装置包括依次连接的NOx存储式三元催化器(2)和被动式选择性催化还原器(3),NOx存储式三元催化器(2)与氢气供给源连接。控制方法包括以下步骤:St.1获取氢内燃机工况信息;St.2利用NOx存储式三元催化器(2)和被动式选择性催化还原器(3)对氢内燃机尾气进行处理;St.3当H2传感器(6)检测出H2浓度小于最低阈值时,通过电控单元(9)触发氢气喷嘴(1)开关,喷射氢气;当H2浓度不小于最低阈值时,返回St.2;与现有技术相比,本发明具能够实现当量比高瞬变、瞬变范围广的氢内燃机尾气中NOx的持续高效减排,解决氢内燃机的NOx排放高的问题。

Description

一种宽当量比氢内燃机用后处理装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及发动机领域,具体涉及一种宽当量比氢内燃机用后处理装置及其控制方法。
背景技术
氢燃料内燃机在尾气排放方面具有传统化石燃料内燃机无可比拟的优点。它的主要排放物只有NOx,包括一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)。有研究指出涡轮增压氢燃料内燃机NOx排放可达7000ppm。NOx并非来自氢气(H2)本身,而是空气中的氮气(N2)在受高温作用与氧气(O2)氧化生成的产物。因此,与汽油机或柴油机类似,氢燃料内燃机生成NOx排放的主要因素包括:缸内温度,富氧环境和高温持续时间。一般而言,较高燃烧室的温度、较长的高温持续时间和较高的O2浓度会促进NOx排放的生成。
目前,控制氢燃料内燃机NOx排放的主要手段有推迟点火角度、使用稀薄燃烧、EGR技术和进气道喷水等策略的使用。有研究人员发现,推迟点火提前角能够在一定程度上降低NOx排放量,但是无法避免热效率的下降,尤其在高速、大负荷工况下,点火提前角的推迟会降低内燃机的输出功率和扭矩,而且其降低NOx的作用也十分有限。稀薄燃烧可以实现极低的NOx排放,但难以满足较高动力输出的要求。在进气道喷水可以明显降低NOx,但会降低燃烧速度,并带来润滑和磨损问题。因此,保证氢燃料内燃机动力性的同时达到近零排放就不得不引入降NOx的后处理装置。
专利201810924790.0公开了一种适用于氢燃料内燃机的组合式后处理装置。通过组合的TWC+SCR装置实现对NOx排放的控制,但是TWC只在化学当量比(λ=1)工况下实现高效减排,而化学当量比的氢内燃机动力性差。稀燃工况(λ>1)下氢内燃机动力性能好,但是其尾气中O2含量高,使得TWC对NOx的转化效率大幅降低,所以该发明提供的TWC+SCR装置仅适用于化学当量比的氢内燃机,不能满足高动力性的稀燃氢内燃机的NOx排放需求,实用性低。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能够实现当量比高瞬变、瞬变范围广的氢内燃机尾气中NOx的持续高效减排,解决氢内燃机的NOx排放高问题的宽当量比氢内燃机用后处理装置及其控制方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
本发明提供了直列型TWNSC+PSCR和U型TWNSC+PSCR氢内燃机专用后处理装置。其中TWNSC由前端TWC催化剂和后端LNT催化剂耦合而成,PSCR采用上游的TWNSC产生的NH3作为还原剂。此外,通过在TWNSC上游引入H2喷嘴,结合本发明提供的一种氢内燃机专用后处理装置控制策略,通过实时采集的温度信号、NOx信号和H2信号,基于TWNSC+PSCR的NOx转化MAP和吸脱附模型判断H2喷射策略。该专利不仅适用于化学当量比工况,也适用于稀燃工况,实现宽当量比范围内高效NOx减排,解决氢内燃机的NOx排放高的问题,具体方案如下:
一种宽当量比氢内燃机用后处理装置,该装置包括依次连接的NOx存储式三元催化器,简称TWNSC,和被动式选择性催化还原器,简称PSCR,所述的NOx存储式三元催化器一端设有用于氢内燃机尾气进入的进气管道,该进气管道与氢气供给源连接。
进一步地,所述的进气管道上设有与氢气供给源连接的氢气喷嘴,以及用于检测进气成分和/或温度的气体传感器;所述的气体传感器包括温度传感器、前NOx传感器和H2传感器。
进一步地,所述的NOx存储式三元催化器和被动式选择性催化还原器之间设有连接管道;所述被动式选择性催化还原器远离连接管道的一侧设有出气管道;所述的连接管道上设有用于检测反应气中NOx含量的中NOx传感器;所述的出气管道上设有用于检测尾气中NOx含量的后NOx传感器。
进一步地,所述的NOx存储式三元催化器内靠近进气管道的一端涂覆有TWC催化剂,远离进气管道的一端涂覆有LNT催化剂。
进一步地,所述的NOx存储式三元催化器和被动式选择性催化还原器呈U形布置或直列形布置。
进一步地,该装置还包括用于接收和反馈信号的电控单元,该电控单元与氢气喷嘴、气体传感器、中NOx传感器和后NOx传感器信号连接。
一种如上所述宽当量比氢内燃机用后处理装置的控制方法,该控制方法包括以下步骤:
St.1获取氢内燃机工况信息;
St.2利用NOx存储式三元催化器和被动式选择性催化还原器对氢内燃机尾气进行处理;
St.3当H2传感器检测出H2浓度小于最低阈值时,通过电控单元触发氢气喷嘴开关,喷射氢气;当H2浓度不小于最低阈值时,返回St.2;
St.4采集后NOx传感器输出的氢内燃机最终排放参数,结束尾气处理。
进一步地,当氢内燃机工况为化学当量比工况时,基于化学当量比下NOx存储式三元催化器和被动式选择性催化还原器的NOx转化MAP设定H2最低阈值Cmin
进一步地,当氢内燃机工况为稀燃工况时,基于稀燃工况下NOx存储式三元催化器和被动式选择性催化还原器的NOx转化MAP以及NOx吸脱附模型,设定NOx最大吸附阈值Smax以及NOx脱附所需H2浓度最小阈值Cdmin
进一步地,当判断NOx存储式三元催化器吸附NOx不小于最大吸附阈值Smax,触发对NOx脱附所需H2浓度最小阈值Cdmin的搜寻,判断实时尾气H2浓度是否小于最低阈值Cdmin;当吸附NOx小于最大吸附阈值Smax时,返回St.2。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
(1)本发明提供了一种TWNSC+PSCR组合型氢内燃机专用后处理装置,该装置的TWNSC由前端TWC催化剂和后端LNT催化剂耦合而成,PSCR采用上游的TWNSC产生的NH3作为还原剂,摆脱了常规发动机的尿素喷射***,该后处理装置布置方式使得三种催化剂的利用率最大化,并且节省空间,降低成本,简化后处理控制策略;
(2)本发明通过在后处理装置前加装H2喷嘴,解决了TWNSC催化剂还原剂不足的困难,也使得LNT催化剂的NOx脱附过程不再受浓燃工况限制;
(3)本发明进一步提供了针对该氢内燃机专用后处理装置的控制策略,通过实时采集的NOx信号和H2信号,基于TWNSC的NOx转化MAP和吸脱附MAP判断H2喷射策略,不仅适用于化学当量比工况,也适用于稀燃工况,实现宽当量比范围内高效NOx减排。
附图说明
图1为实施例1中后处理装置示意图;
图2为实施例2中后处理装置示意图;
图3为本发明中TWNSC催化器示意图;
图4为本发明中后处理装置控制策略图;
图中标号所示:氢气喷嘴1、NOx存储式三元催化器2、被动式选择性催化还原器3、温度传感器4、前NOx传感器5、H2传感器6、中NOx传感器7、后NOx传感器8、电控单元9。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
一种宽当量比氢内燃机用后处理装置及其控制方法,如图1所示,本实施例的后处理装置,包括氢气喷嘴1、设置在氢气喷嘴1后的NOx存储式三元催化器2和设置在NOx存储式三元催化器2后的被动式选择性催化还原器3;NOx存储式三元催化器2和被动式选择性催化还原器3呈直列形布置;氢内燃机尾气和氢气喷嘴1喷出的氢气依次流过NOx存储式三元催化器2和被动式选择性催化还原器3;还包括安装在NOx存储式三元催化器2前的温度传感器4、前NOx传感器5和H2传感器6,安装在NOx存储式三元催化器2和被动式选择性催化还原器3中间的中NOx传感器7安装在被动式选择性催化还原器3后的后NOx传感器8,以及接收和反馈信号的电控单元9。
如图3所示,NOx存储式三元催化器2包括涂覆在TWNSC前端的TWC催化剂和涂覆在TWNSC后端的LNT催化剂,气体依次经过前端的TWC催化剂和后端的LNT催化剂。在本实施例的宽当量比氢内燃机专用的后处理装置中,氢内燃机尾气首先流过NOx存储式三元催化器2,尾气中NOx流经NOx存储式三元催化器2前端TWC催化剂发生的化学反应过程包括化学式(1)和化学式(2):
化学式(1)NO+2.5H2→NH3+H2O
化学式(2)NO2+3.5H2→NH3+2H2O
接着气流流经NOx存储式三元催化器2后端LNT催化剂,发生的化学反应过程包括化学式(3)至化学式(11)所示,该过程基于目前广泛商用的Pt/Ba基LNT催化剂:
化学式(3)2NO+O2→2NO2
化学式(4)BaO+2NO2+0.5O2→Ba(NO3)2
化学式(5)BaO+2NO+1.5O2→Ba(NO3)2
化学式(6)BaCO3+2NO2+0.502→Ba(NO3)2+CO2
化学式(7)BaCO3+2NO+1.5O2→Ba(NO3)2+CO2
化学式(8)BaO+H2O→Ba(OH)2
化学式(9)Ba(OH)2+2NO2+0.5O2→Ba(NO3)2+H2O
化学式(10)Ba(OH)2+2NO+1.502→Ba(NO3)2+H2O
化学式(11)Ba(NO3)2+3H2→BaO+2NO+3H2O
最后气流流经被动式选择性催化还原器3,由化学式(1)和化学式(2)生成的NH3被PSCR催化剂吸附,可以进一步作为NOx的还原剂,发生的化学反应过程如化学式(12)至化学式(14)所示:
化学式(12)4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O
化学式(13)8NH3+6NO2→7N2+12H2O
化学式(14)NO+2NH3+NO2→2N2+3H2O
当氢内燃机在化学当量比工况工作时,TWNSC前端的TWC催化剂通过化学式(1)和化学式(2)高效转化NOx,反应产物NH3被PSCR催化剂吸附,进一步作为NOx的还原剂,通过化学式(12)至化学式(14)继续转化可能剩余的NOx
当氢内燃机在稀燃工况工作时,TWNSC前端的TWC催化剂通过化学式(1)和化学式(2)将部分NOx转化NH3;此时TWNSC后端的LNT催化剂通过化学式(3)至化学式(10),在提高NO2/NO的比例同时,将NOx以硝酸盐的形式吸附;同时PSCR吸附由TWNSC前端产生的NH3;通过控制氢气喷嘴1喷射氢气,使TWNSC后端通过化学式(11)脱附NO,气流进一步进入PSCR被NH3还原为N2和H2O,实现NOx高效减排。
根据已有的氢内燃机研究工作,浓燃工况下其动力性、经济性与排放性均表现较差,因此浓燃工况的NOx减排应用不在本发明考虑范围内。
如图4所示,为使后处理装置在宽当量比范围内实现高效减排,采用如下控制策略,化学当量比工况时,基于化学当量比下TWNSC+PSCR的NOx转化MAP设定H2最低阈值Cmin,通过TWNSC上游的温度传感器4、前NOx传感器5和H2传感器6,对尾气的温度、NOx和H2浓度进行实时采样,将采集到的信号反馈至电控单元9,基于实时的排温和NOx浓度寻找到H2最低阈值Cmin,判断实时尾气H2浓度是否小于最低阈值Cmin;当H2浓度小于最低阈值Cmin,通过电控单元9触发氢气喷嘴1开关,喷射氢气,根据所需H2量喷射。之后采集后NOx传感器8,输出氢内燃机最终排放参数。
稀燃工况时,基于稀燃工况下TWNSC+PSCR的NOx转化MAP,以及NOx吸脱附模型设定NOx最大吸附阈值Smax、NOx脱附所需H2浓度最小阈值Cdmin,通过TWNSC上游的温度传感器4、前NOx传感器5和H2传感器6,及其PSCR上游中NOx传感器7,对尾气中的NOx和H2浓度进行实时采样,将采集到的信号反馈至电控单元9,基于实时排温和NOx浓度判断TWNSC是否达到饱和吸附状态;当判断TWNSC吸附NOx大于等于最大吸附阈值Smax,触发对NOx脱附所需H2浓度最小阈值Cdmin的搜寻,判断实时尾气H2浓度是否小于最低阈值Cdmin;当H2浓度小于最低阈值Cdmin,通过电控单元9触发氢气喷嘴1开关,喷射氢气,使其浓度达到TWNSC脱附NOx所需水平。之后采集后NOx传感器8,输出氢内燃机最终排放参数。
实施例2
如图2所示,与实施例1不同之处在于,本实施例为后处理装置,一种紧凑型的宽当量比氢内燃机专用的后处理装置,包括氢气喷嘴1、设置在氢气喷嘴1后的TWNSC和设置在TWNSC后的PSCR;TWNSC和PSCR呈U形布置;氢内燃机尾气和氢气喷嘴1喷出的氢气依次流过TWNSC和PSCR;还包括安装在TWNSC前的温度传感器4、前NOx传感器5和H2传感器6,安装在TWNSC和PSCR中间的中NOx传感器7安装在PSCR后的后NOx传感器8,以及接收和反馈信号的电控单元9。
除TWNSC和PSCR布置方式外,其余特性、实施方式均与实施例1相同。
综上可知,目前,氢内燃机作为零碳排放的动力装置受到广泛关注,但是其动力性与NOx排放间的矛盾问题尚未解决。本发明提供了一种TWNSC+PSCR组合型氢内燃机专用后处理装置,该装置的TWNSC由前端TWC催化剂和后端LNT催化剂耦合而成,PSCR采用上游的TWNSC产生的NH3作为还原剂,摆脱了常规发动机的尿素喷射***,该后处理装置布置方式使得三种催化剂的利用率最大化,并且节省空间,降低成本,简化后处理控制策略。本发明通过在后处理装置前加装H2喷嘴,解决了TWNSC催化剂还原剂不足的困难,也使得LNT催化剂的NOx脱附过程不再受浓燃工况限制。本发明进一步提供了针对该氢内燃机专用后处理装置的控制策略,通过实时采集的温度信号、NOx信号和H2信号,基于TWNSC+PSCR的NOx转化MAP和吸脱附MAP判断H2喷射策略,不仅适用于化学当量比工况,也适用于稀燃工况,实现宽当量比范围内高效NOx减排,具有广阔的应用前景。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非是对本发明作其它形式的限制,任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型,仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种宽当量比氢内燃机用后处理装置,其特征在于,该装置包括依次连接的NOx存储式三元催化器(2)和被动式选择性催化还原器(3),所述的NOx存储式三元催化器(2)一端设有用于氢内燃机尾气进入的进气管道,该进气管道与氢气供给源连接。
2.根据权利要求1所述的一种宽当量比氢内燃机用后处理装置,其特征在于,所述的进气管道上设有与氢气供给源连接的氢气喷嘴(1),以及用于检测进气成分和/或温度的气体传感器;所述的气体传感器包括温度传感器(4)、前NOx传感器(5)和H2传感器(6)。
3.根据权利要求1所述的一种宽当量比氢内燃机用后处理装置,其特征在于,所述的NOx存储式三元催化器(2)和被动式选择性催化还原器(3)之间设有连接管道;所述被动式选择性催化还原器(3)远离连接管道的一侧设有出气管道;所述的连接管道上设有用于检测反应气中NOx含量的中NOx传感器(7);所述的出气管道上设有用于检测尾气中NOx含量的后NOx传感器(8)。
4.根据权利要求1所述的一种宽当量比氢内燃机用后处理装置,其特征在于,所述的NOx存储式三元催化器(2)内靠近进气管道的一端涂覆有TWC催化剂,远离进气管道的一端涂覆有LNT催化剂。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种宽当量比氢内燃机用后处理装置,其特征在于,所述的NOx存储式三元催化器(2)和被动式选择性催化还原器(3)呈U形布置或直列形布置。
6.根据权利要求1-4所述的一种宽当量比氢内燃机用后处理装置,其特征在于,该装置还包括用于接收和反馈信号的电控单元(9),该电控单元(9)与氢气喷嘴(1)、气体传感器、中NOx传感器(7)和后NOx传感器(8)信号连接。
7.一种如权利要求1-6任一项所述宽当量比氢内燃机用后处理装置的控制方法,其特征在于,该控制方法包括以下步骤:
St.1获取氢内燃机工况信息;
St.2利用NOx存储式三元催化器(2)和被动式选择性催化还原器(3)对氢内燃机尾气进行处理;
St.3当H2传感器(6)检测出H2浓度小于最低阈值时,通过电控单元(9)触发氢气喷嘴(1)开关,喷射氢气;当H2浓度不小于最低阈值时,返回St.2;
St.4采集后NOx传感器(8)输出的氢内燃机最终排放参数,结束尾气处理。
8.根据权利要求7所述的一种宽当量比氢内燃机用后处理装置的控制方法,其特征在于,当氢内燃机工况为化学当量比工况时,基于化学当量比下NOx存储式三元催化器(2)和被动式选择性催化还原器(3)的NOx转化MAP设定H2最低阈值Cmin
9.根据权利要求7所述的一种宽当量比氢内燃机用后处理装置的控制方法,其特征在于,当氢内燃机工况为稀燃工况时,基于稀燃工况下NOx存储式三元催化器(2)和被动式选择性催化还原器(3)的NOx转化MAP以及NOx吸脱附模型,设定NOx最大吸附阈值Smax以及NOx脱附所需H2浓度最小阈值Cdmin
10.根据权利要求9所述的一种宽当量比氢内燃机用后处理装置的控制方法,其特征在于,当判断NOx存储式三元催化器(2)吸附NOx不小于最大吸附阈值Smax,触发对NOx脱附所需H2浓度最小阈值Cdmin的搜寻,判断实时尾气H2浓度是否小于最低阈值Cdmin;当吸附NOx小于最大吸附阈值Smax时,返回St.2。
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