一种动力系统及其氢排放指标的诊断方法与流程

本发明属于氢内燃机，更具体的说，尤其涉及一种动力系统及其氢排放指标的诊断方法。

背景技术：

1、氢内燃机是使用氢气作为燃料的内燃机，相比于使用柴油、汽油等燃料的内燃机，氢内燃机由于不使用含碳燃料，因此理论上没有二氧化碳、颗粒物、一氧化碳和碳氢化合物等温室气体和污染物生成，是一种清洁的动力系统。

2、但是，氢气的燃烧不如柴油或汽油稳定，燃烧不充分或发生失火时，氢内燃机的发动机会排放出大量的未燃氢气，氢气的爆燃风险极高（常温常压下氢气在空气中的浓度在4-70%之间都有爆炸的可能性）。因此需要准确、及时地诊断出氢气排放异常的状况。

3、目前，通过氢浓度传感器，直接测量氢燃料电池发动机尾排的氢气浓度，从而获知系统的氢排放是否超标。但是氢内燃机的排气温度远比氢燃料电池更高（最高可达400℃以上），当前行业中的氢浓度传感器耐温上限多在100-200℃之间，无法应用到氢内燃机上。因此该技术只能应用于氢燃料电池，无法应用于氢内燃机。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种动力系统及其氢排放指标的诊断方法，用于能够基于行业内常用的氧传感器或氮氧传感器，测定的氧浓度和湿度的数值，计算出氢内燃机排放的未燃氢气的量。

2、本技术第一方面公开了一种动力系统的氢排放指标诊断方法，所述动力系统包括氢内燃机，所述方法包括：

3、通过采集传感器确定所述动力系统的排气氧浓度，并依据所述排气氧浓度确定所述动力系统的排气湿度；所述采集传感器包括氧传感器或氮氧传感器；

4、根据能量守恒原理以及阿伏伽德罗定律，以仅考虑氢元素质量守恒的方式，通过所述排气湿度，确定所述动力系统的排气氢浓度；

5、依据所述排气氢浓度，确定所述动力系统的氢排放指标是否超标；若超标则限制所述氢内燃机中发动机的转速扭矩。

6、可选的，若所述氢内燃机的出气口直接作为所述动力系统的排气口，则所述根据能量守恒原理以及阿伏伽德罗定律，以仅考虑氢元素质量守恒的方式，通过所述排气湿度，确定所述动力系统的排气氢浓度，包括：

7、基于能量守恒原理，确定第一进出守恒关系；其中，所述第一进出守恒关系为：所述氢内燃机中进气口的氢气燃料的质量流量、空气的质量流量以及所述氢内燃机中缸内喷水的质量流量之和等于氢内燃机排气的质量流量；

8、基于所述第一进出守恒关系以及阿伏伽德罗定律，以仅考虑氢元素守恒的方式，确定第二进出守恒关系；其中，所述第二进出守恒关系为：在所述第一进出守恒关系的基础之上增加各个所述质量流量所涉及成分的摩尔质量之比以及含氢元素成分的浓度；

9、确定所述氢内燃机的排气的摩尔质量；

10、依据各个所述摩尔质量、所述排气氧浓度和所述排气湿度，采用所述第二进出守恒关系，确定所述排气氢浓度。

11、可选的，所述第一进出守恒关系为：

12、；

13、其中，qm,fuel为所述氢气燃料的质量流量；qm,air为所述空气的质量流量；qm,injection为所述氢内燃机中缸内喷水的质量流量；qm,emission为所述氢内燃机排气的质量流量；

14、所述第二进出守恒关系为：

15、；

16、其中，xair(h2o)为空气中水蒸气浓度、xemission(h2o)为所述排气湿度、xemission(h2)为所述排气氢浓度；mh为氢原子的摩尔质量、为水分子的摩尔质量、mair为空气的摩尔质量、memission为氢内燃机排气的摩尔质量；

17、确定所述氢内燃机的排气的摩尔质量所采用的公式为：

18、；

19、；

20、其中，为发动机的过量空气系数；为氮气的摩尔质量；为氧气分子的摩尔质量；为空气中氧浓度。

21、可选的，若所述氢内燃机的出气口经过后处理系统排气，则所述根据能量守恒原理以及阿伏伽德罗定律，以仅考虑氢元素质量守恒的方式，通过所述排气湿度，确定所述动力系统的排气氢浓度，包括：

22、基于能量守恒原理，确定第三进出守恒关系；其中，所述第三进出守恒关系为：所述氢内燃机中进气口的氢气燃料的质量流量、空气的质量流量、所述后处理系统中还原剂的质量流量，以及所述氢内燃机中缸内喷水的质量流量之和等于氢内燃机排气的质量流量；

23、基于所述第三进出守恒关系以及阿伏伽德罗定律，以仅考虑氢元素守恒的方式，确定第四进出守恒关系；其中，所述第四进出守恒关系为：在所述第三进出守恒关系的基础之上，增加各个所述质量流量所涉及成分的摩尔质量之比以及含氢元素成分的浓度；

24、依据各个所述摩尔质量、所述排气氧浓度和所述排气湿度，采用所述第四进出守恒关系，确定所述排气氢浓度。

25、可选的，所述第三进出守恒关系为：

26、；

27、其中，qm,fuel为所述氢气燃料的质量流量；qm,air为所述空气的质量流量；qm,injection为所述氢内燃机中缸内喷水的质量流量；qm,reductant为所述还原剂的质量流量；qm,emission为所述氢内燃机排气的质量流量。

28、可选的，若所述后处理系统采用还原剂为尿素水溶液，则所述第四进出守恒关系为：

29、；

30、其中，xair(h2o)为空气中水蒸气浓度、xemission(h2o)为所述排气湿度、xemission(h2)为所述排气氢浓度；wreductant为尿素水溶液中尿素的质量分数；mh为氢原子的摩尔质量、为水分子的摩尔质量、mair为空气的摩尔质量、memission为氢内燃机排气的摩尔质量；为尿素的摩尔质量。

31、可选的，若所述后处理系统采用还原剂为氢气，则所述第四进出守恒关系为：

32、；

33、其中，xair(h2o)为空气中水蒸气浓度、xemission(h2o)为所述排气湿度、xemission(h2)为所述排气氢浓度；mh为氢原子的摩尔质量、为水分子的摩尔质量、mair为空气的摩尔质量、memission为氢内燃机排气的摩尔质量。

34、可选的，通过采集传感器确定所述动力系统的排气氧浓度，并依据所述排气氧浓度确定所述动力系统的排气湿度，包括：

35、获取所述采集传感器在高压范围内扫描得到第二极限电流值；以及低压范围内扫描得到第一极限电流值；

36、计算第二极限电流值减去第一极限电流值的电流差值，并依据所述第一极限电流值，确定所述排气氧浓度；

37、依据所述电流差值和所述排气氧浓度，确定所述排气湿度。

38、可选的，所述依据所述排气氢浓度，确定所述动力系统的氢排放指标是否超标，包括：

39、判断所述排气氢浓度是否大于等于氢浓度阈值；

40、若是，则所述动力系统的氢排放指标超标；

41、若否，则所述动力系统的氢排放指标不超标。

42、本技术第二方面公开了一种动力系统，包括：氢内燃机和采集单元；

43、所述氢内燃机的进气口接入氢气燃料和空气；

44、所述氢内燃机的出气口直接或间接作为所述动力系统的排气口；

45、所述采集单元包括氧传感器和/或氮氧传感器；所述采集单元设置于所述动力系统的排气口处；

46、所述氢内燃机中发动机的发动机控制单元，用于执行如本技术第一方面任一项所述的动力系统的氢排放指标诊断方法。

47、从上述技术方案可知，本发明提供的一种动力系统的氢排放指标的诊断方法包括：通过采集传感器确定动力系统的排气氧浓度，并依据排气氧浓度确定动力系统的排气湿度；采集传感器包括氧传感器或氮氧传感器；根据能量守恒原理以及阿伏伽德罗定律，以仅考虑氢元素质量守恒的方式，通过排气湿度，确定动力系统的排气氢浓度；依据排气氢浓度，确定动力系统的氢排放指标是否超标；若超标则限制氢内燃机中发动机的转速扭矩；也即，能够基于行业内常用的氧传感器或氮氧传感器，测定的氧浓度和湿度的数值，计算出氢内燃机排放的未燃氢气的量，从而诊断氢内燃机动力系统的氢排放是否超标；从而规避了氢浓度传感器不耐高温、无法应用于氢内燃机的问题，能够较好地简化系统构成、降低成本。