专利名称：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、C0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，而且控制系统复杂，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，本系统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I、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、电子控制单兀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I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I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I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I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I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I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I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°C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I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°C，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I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°C，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I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°C，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I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°C，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I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。此系统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。
图I本发明的结构和工作原理图。图中I.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.电子控制单兀8.发动机转速信号9.发动机负荷信号10.排气温度信号.
具体实施例方式下面结合图I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I、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、电子控制单兀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I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I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通过米集发动机转速信号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I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I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I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I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I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°C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I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°C，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I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°C，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I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°C，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I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°C，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I中的氢气进入发动机的排气管。
权利要求
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(I)、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(I)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I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(I)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(O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(I)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(I)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(I)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(I)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°C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(I)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°C，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(I)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°C，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(I)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°C，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(I)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°C，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(I)中的氢气进入发动机的排气管。
全文摘要
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。
文档编号F01N3/36GK102926849SQ20121046032
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月15日 优先权日2012年11月15日
发明者纪常伟, 戴晓旭, 陈志频 申请人:北京工业大学