專利名稱：一種降低發(fā)動機尾氣排放的裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明提供了一種降低發(fā)動機有害排放的裝置及方法，主要通過電子控制單元采集發(fā)動機轉速、負荷和排氣溫度信號，在 發(fā)動機進氣中噴入氫氣實現(xiàn)混氫燃燒，從而降低尾氣中HC和CO的目的，然而NOx的排放有所升高。因此，在發(fā)動機排氣中混入氫氣，在催化劑和一定的溫度條件下，利用氫氣良好的還原性減少尾氣中的NOx。最終改善發(fā)動機缸內燃燒，減少車輛HC、CO和NOx的排放，從而達到了節(jié)能減排的目的。
背景技術：
隨著我國汽車產業(yè)的快速發(fā)展，化石資源的不斷消耗和日益嚴重的環(huán)境污染問題受到了廣泛的關注，尋找綠色、清潔的可再生能源已經(jīng)刻不容緩。氫氣由于具有良好的理化特性，被認為是未來最有希望的綠色能源之一。研究表明，與依靠單一化石燃料的傳統(tǒng)發(fā)動機相比，在進氣中混入氫氣，進而實現(xiàn)缸內混合燃燒的混氫發(fā)動機，在燃油消耗、熱效率以及HC、C0等排放均有著明顯的優(yōu)勢。然而，由于混氫發(fā)動機的缸內燃燒溫度較高，NOx排放也相對較高。NOx與HC經(jīng)紫外線照射發(fā)生反應會形成光化學煙霧。光化學煙霧具有特殊氣味、刺激眼睛、傷害植物，并能使大氣能見度降低。另外，氮氧化物與空氣中的水反應生成的硝酸和亞硝酸還會形成酸雨。目前可以通過尿素選擇性催化還原(SCR)技術降低發(fā)動機尾氣中的NOx排放，但車輛必須定期添加尿素，而且控制系統(tǒng)復雜，成本高，低溫環(huán)境下尿素會結晶無法噴入反應器，還可能出現(xiàn)尿素噴入過量直接排入大氣形成新的污染問題。而NOx具有強氧化性，氫氣又具有強還原性。因此，對于混氫發(fā)動機而言，尾氣中引入氫氣，在貴金屬Rh催化劑和一定的溫度條件下，NOx可以被有效地轉化為對環(huán)境無害的N2。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供了一種降低發(fā)動機有害排放的裝置及方法，本系統(tǒng)可以實現(xiàn)發(fā)動機進氣和排氣混氫，逐步凈化發(fā)動機尾氣的目的。主要通過電子控制單元收集發(fā)動機轉速、負荷和排氣溫度信號，在發(fā)動機進氣中噴入氫氣實現(xiàn)混氫燃燒，從而降低尾氣中HC和CO的目的，然而進氣混氫后，發(fā)動機NOx的排放有所升高。因此，在發(fā)動機排氣中混入氫氣，在催化劑和一定的溫度條件下，利用氫氣良好的還原性減少尾氣中的NOx。最終改善發(fā)動機缸內燃燒，達到減少車輛HC、CO和NOx的排放的目的。一種降低發(fā)動機有害排放的裝置，其包括氫氣存儲裝置I、進氣混氫噴嘴2、發(fā)動機3、排氣混氫噴嘴4、排氣溫度傳感器5、催化反應器6、電子控制單兀7。其中發(fā)動機3的排氣管和回收發(fā)動機尾氣余熱并進行催化的催化反應器6相連；與氫氣存儲裝置I相連的進氣混氫噴嘴2和排氣混氫噴嘴4分別將氫氣噴入發(fā)動機的進氣管和排氣管；電子控制單元7的輸入端通過排氣溫度傳感器5采集排氣管內尾氣的溫度，并同時接收發(fā)動機3的轉速信號8和負荷信號9 ;電子控制單元7的輸出端分別連接到控制進氣混氫量的進氣混氫噴嘴2和控制排氣混氫量的排氣混氫噴嘴4的控制端。所述的一種降低發(fā)動機有害排放的裝置的控制方法首先發(fā)動機的電子控制單元7通過采集發(fā)動機轉速信號8和負荷信號9判斷發(fā)動機3的工況，調節(jié)控制進氣混氫噴嘴2將氫氣存儲裝置I中的氫氣噴入發(fā)動機進氣管中，從而實現(xiàn)發(fā)動機進氣混氫；同時電子控制單元7通過采集發(fā)動機轉速信號8、負荷信號9和排氣溫度傳感器5判斷發(fā)動機3的工況和排氣溫度，調節(jié)控制排氣混氫噴嘴4將氫氣存儲裝置I中的氫氣噴入發(fā)動機排氣管中，從而實現(xiàn)發(fā)動機排氣混氫，最終發(fā)動機3尾氣經(jīng)過催化反應器6排出。對于不同的發(fā)動機工況，采用不同的進氣混氫控制策略，其控制方法如下I )當電子控制單元7采集到轉速信號8和負荷信號9，判斷發(fā)動機3處于冷啟動工況時，電子控制單元7調節(jié)進氣混氫噴嘴2至完全開啟狀態(tài)，使氫氣存儲裝置I中的氫氣進入發(fā)動機的進氣管；II)當電子控制單元7采集到轉速信號8和負荷信號9，判斷發(fā)動機3處于中低轉 速和負荷工況時，電子控制單元7調節(jié)進氣混氫噴嘴2至完全開啟狀態(tài)的1/2，使氫氣存儲裝置I中的氫氣進入發(fā)動機的進氣管；III)當電子控制單元7采集到轉速信號8和負荷信號9，判斷發(fā)動機3處于中高轉速和負荷工況時，電子控制單元7調節(jié)進氣混氫噴嘴2至完全開啟狀態(tài)的1/4，使氫氣存儲裝置I中的氫氣進入發(fā)動機的進氣管；IV)當電子控制單元7采集到轉速信號8和負荷信號9，判斷發(fā)動機3處于高轉速和負荷工況時，電子控制單元7調節(jié)進氣混氫噴嘴2至完全閉合狀態(tài)，避免氫氣存儲裝置I中的氫氣進入發(fā)動機的進氣管。進一步的，對于不同的發(fā)動機工況和排氣溫度條件，采用不同的排氣混氫控制策略，其控制方法如下I )當電子控制單元7通過排氣溫度傳感器5檢測到排氣溫度低于250°C時，電子控制單元7調節(jié)排氣混氫噴嘴4至完全閉合狀態(tài)，避免氫氣存儲裝置I中的氫氣進入發(fā)動機的排氣管；II)當電子控制單元7通過排氣溫度傳感器5檢測到排氣溫度高于250°C，并通過轉速信號8和負荷信號9判斷發(fā)動機3處于冷啟動工況時，電子控制單元7調節(jié)排氣混氫噴嘴4至完全閉合狀態(tài)，避免氫氣存儲裝置I中的氫氣進入發(fā)動機的排氣管；III)當電子控制單元7通過排氣溫度傳感器5檢測到排氣溫度高于250°C，并通過轉速信號8和負荷信號9判斷發(fā)動機3處于中低轉速和負荷工況時，電子控制單元7調節(jié)排氣混氫噴嘴4至完全開啟狀態(tài)的1/4，使氫氣存儲裝置I中的氫氣進入發(fā)動機的排氣管；IV)當電子控制單元7通過排氣溫度傳感器5檢測到排氣溫度高于250°C，并通過轉速信號8和負荷信號9判斷發(fā)動機3處于中高轉速和負荷工況時，電子控制單元7調節(jié)排氣混氫噴嘴4至完全開啟狀態(tài)的1/2，使氫氣存儲裝置I中的氫氣進入發(fā)動機的排氣管；V)當電子控制單元7通過排氣溫度傳感器5檢測到排氣溫度高于250°C，并通過轉速信號8和負荷信號9判斷發(fā)動機3處于高轉速和負荷工況時，電子控制單元7調節(jié)排氣混氫噴嘴4至完全開啟狀態(tài)，使氫氣存儲裝置I中的氫氣進入發(fā)動機的排氣管。本發(fā)明可以獲得如下有益效果為了降低傳統(tǒng)發(fā)動機尾氣有害排放的目的，通過電子控制單元采集發(fā)動機轉速和負荷條件，判斷發(fā)動機的所處工況，在進氣中混入氫氣，可以改善發(fā)動機的缸內燃燒，減少燃油消耗，降低尾氣中HC和CO的排放。然而混氫發(fā)動機的NOx生成量比較高，因此，在滿足催化劑的起燃溫度前提下，根據(jù)發(fā)動機所處的不通工況條件下，在發(fā)動機排氣中引入不同比例的氫氣，可以有效降低尾氣中NOx的排放。此系統(tǒng)通過進氣和排氣混氫，逐步的實現(xiàn)了降低發(fā)動機有害排放的目的。


圖I本發(fā)明的結構和工作原理圖。圖中I.氫氣存儲裝置2.進氣混氫噴嘴3.發(fā)動機4.排氣混氫噴嘴5.排氣溫度傳感器6.催化反應器7.電子控制單兀8.發(fā)動機轉速信號9.發(fā)動機負荷信號10.排氣溫度信號.
具體實施例方式下面結合圖I說明本實施方式。
一種降低發(fā)動機有害排放的裝置及方法，主要包括氫氣存儲裝置I、進氣混氫噴嘴2、發(fā)動機3、排氣混氫噴嘴4、排氣溫度傳感器5、催化反應器6、電子控制單兀7。其中發(fā)動機3的排氣管和回收發(fā)動機尾氣余熱并進行催化的催化反應器6相連；與氫氣存儲裝置I相連的進氣混氫噴嘴2和排氣混氫噴嘴4分別將氫氣噴入發(fā)動機的進氣管和排氣管；電子控制單元7的輸入端通過排氣溫度傳感器5采集排氣管內尾氣的溫度，并同時接收發(fā)動機3的轉速信號8和負荷信號9 ；電子控制單元7的輸出端分別連接到控制進氣混氫量的進氣混氫噴嘴2和控制排氣混氫量的排氣混氫噴嘴4的控制端。本發(fā)明所述的方法采用了如下技術方案首先發(fā)動機的電子控制單元7通過采集發(fā)動機轉速信號8和負荷信號9判斷發(fā)動機3的工況，調節(jié)控制進氣混氫噴嘴2將氫氣存儲裝置I中的氫氣噴入發(fā)動機進氣管中，從而實現(xiàn)發(fā)動機進氣混氫；同時電子控制單元7通過米集發(fā)動機轉速信號8、負荷信號9和排氣溫度傳感器5判斷發(fā)動機3的工況和排氣溫度，調節(jié)控制排氣混氫噴嘴4將氫氣存儲裝置I中的氫氣噴入發(fā)動機排氣管中，從而實現(xiàn)發(fā)動機排氣混氫，最終發(fā)動機3尾氣經(jīng)過催化反應器6排出。對于不同的發(fā)動機工況，采用不同的進氣混氫控制策略，其控制方法如下I )當電子控制單元7采集到轉速信號8和負荷信號9，判斷發(fā)動機3處于冷啟動工況時，發(fā)動機需要濃燃混合氣才能保證快速啟動，但此時缸內濃燃混合氣燃燒產生的排放也比較嚴重。因此，用氫氣替代汽油實現(xiàn)發(fā)動機的冷啟動可以顯著降低發(fā)動機有害排放。此時，電子控制單元7調節(jié)進氣混氫噴嘴2至完全開啟狀態(tài)，使氫氣存儲裝置I中的氫氣進入發(fā)動機的進氣管，實現(xiàn)發(fā)動機純氫氣冷啟動；II)當電子控制單元7采集到轉速信號8和負荷信號9，判斷發(fā)動機3處于中低轉速和負荷工況時，應在進氣中混入較高比例的氫氣。氫氣由于具有良好的理化特性，可以優(yōu)化缸內燃燒，減少燃油消耗，并且降低有害排放。此時，電子控制單元7調節(jié)進氣混氫噴嘴
2至完全開啟狀態(tài)的1/2，使氫氣存儲裝置I中的氫氣進入發(fā)動機的進氣管，實現(xiàn)發(fā)動機混氫運行；III)當電子控制單元7采集到轉速信號8和負荷信號9，判斷發(fā)動機3處于中高轉速和負荷工況時，應在進氣中混入較低比例的氫氣。進氣中引入氫氣可以優(yōu)化缸內燃燒，減少有害排放，但是為了保證發(fā)動機較高的動力需求，進氣中混氫比例不能過大。此時，電子控制單元7調節(jié)進氣混氫噴嘴2至完全開啟狀態(tài)的1/4，使氫氣存儲裝置I中的氫氣進入發(fā)動機的進氣管，實現(xiàn)發(fā)動機混氫運行；IV)當電子控制單元7采集到轉速信號8和負荷信號9，判斷發(fā)動機3處于高轉速和負荷工況時，應避免氫氣進入發(fā)動機的進氣中。高轉速和負荷工況要求的發(fā)動機對于動力需求最高，此時，電子控制單元7調節(jié)進氣混氫噴嘴2至完全閉合狀態(tài)，避免氫氣存儲裝置I中的氫氣進入發(fā)動機的進氣管，實現(xiàn)發(fā)動機純燃油運行。由于發(fā)動機進氣中混入了氫氣，使得尾氣中的HC和CO排放降低，但是NOx的排放有所升高。因此，對于不同的發(fā)動機工況和排氣溫度條件，采用不同的排氣混氫控制策略，以降低尾氣中的NOx，其控制方法如下I )當電子控制單元7通過排氣溫度傳感器5檢測到排氣溫度低于250°C時，催化 反應器6中的催化劑還未達到起燃溫度。催化劑還不能有效降低尾氣中的NOx，此時，電子控制單元7調節(jié)排氣混氫噴嘴4至完全閉合狀態(tài)，避免氫氣存儲裝置I中的氫氣進入發(fā)動機的排氣管；II)當電子控制單元7通過排氣溫度傳感器5檢測到排氣溫度高于250°C，并通過轉速信號8和負荷信號9判斷發(fā)動機3處于冷啟動工況時，催化反應器6中的催化劑仍然未達到正常的工作溫度。此時，電子控制單元7調節(jié)排氣混氫噴嘴4至完全閉合狀態(tài)，避免氫氣存儲裝置I中的氫氣進入發(fā)動機的排氣管；III)當電子控制單元7通過排氣溫度傳感器5檢測到排氣溫度高于250°C，并通過轉速信號8和負荷信號9判斷發(fā)動機3處于中低轉速和負荷工況時，尾氣中的NOx排放還比較少，發(fā)動機排氣中引入少量的氫氣就可以減少NOx排放。此時，電子控制單元7調節(jié)排氣混氫噴嘴4至完全開啟狀態(tài)的1/4，使氫氣存儲裝置I中的氫氣進入發(fā)動機的排氣管；IV)當電子控制單元7通過排氣溫度傳感器5檢測到排氣溫度高于250°C，并通過轉速信號8和負荷信號9判斷發(fā)動機3處于中高轉速和負荷工況時，尾氣中的NOx排放比較高，發(fā)動機排氣中引入適度的氫氣就可以減少NOx排放。此時，電子控制單元7調節(jié)排氣混氫噴嘴4至完全開啟狀態(tài)的1/2，使氫氣存儲裝置I中的氫氣進入發(fā)動機的排氣管；V)當電子控制單元7通過排氣溫度傳感器5檢測到排氣溫度高于250°C，并通過轉速信號8和負荷信號9判斷發(fā)動機3處于高轉速和負荷工況時，發(fā)動機由于較高的缸內燃燒溫度，尾氣中NOx的產量最多。此時，發(fā)動機排氣中引入大量的氫氣才能減少NOx排放。此時，電子控制單元7調節(jié)排氣混氫噴嘴4至完全開啟狀態(tài)，使氫氣存儲裝置I中的氫氣進入發(fā)動機的排氣管。
權利要求
1.一種降低發(fā)動機有害排放的裝置，其特征在于其包括氫氣存儲裝置(I)、進氣混氫噴嘴(2)、發(fā)動機(3)、排氣混氫噴嘴(4)、排氣溫度傳感器(5)、催化反應器(6)、電子控制單元(7)。其中發(fā)動機(3)的排氣管和回收發(fā)動機尾氣余熱并進行催化的催化反應器(6)相連；與氫氣存儲裝置(I)相連的進氣混氫噴嘴(2 )和排氣混氫噴嘴(4)分別將氫氣噴入發(fā)動機的進氣管和排氣管；電子控制單元(7)的輸入端通過排氣溫度傳感器(5)采集排氣管內尾氣的溫度，并同時接收發(fā)動機(3)的轉速信號(8)和負荷信號(9);電子控制單元(7)的輸出端分別連接到控制進氣混氫量的進氣混氫噴嘴(2 )和控制排氣混氫量的排氣混氫噴嘴(4)的控制端。
2.權利要求I所述的一種降低發(fā)動機有害排放的裝置的控制方法首先發(fā)動機的電子控制單元(7)通過采集發(fā)動機轉速信號(8)和負荷信號(9)判斷發(fā)動機(3)的工況，調節(jié)控制進氣混氫噴嘴(2)將氫氣存儲裝置(I)中的氫氣噴入發(fā)動機進氣管中，從而實現(xiàn)發(fā)動機進氣混氫；同時電子控制單元(7 )通過采集發(fā)動機轉速信號(8 )、負荷信號(9 )和排氣溫度傳感器(5)判斷發(fā)動機(3)的工況和排氣溫度，調節(jié)控制排氣混氫噴嘴(4)將氫氣存儲裝置(O中的氫氣噴入發(fā)動機排氣管中，從而實現(xiàn)發(fā)動機排氣混氫，最終發(fā)動機(3)尾氣經(jīng)過催化反應器(6)排出。
3.根據(jù)權利要求2所述的控制方法，對于不同的發(fā)動機工況，采用不同的進氣混氫控制策略，其特征在于 I)當電子控制單元(7)采集到轉速信號(8)和負荷信號(9)，判斷發(fā)動機(3)處于冷啟動工況時，電子控制單元(7)調節(jié)進氣混氫噴嘴(2)至完全開啟狀態(tài)，使氫氣存儲裝置(I)中的氫氣進入發(fā)動機的進氣管； II)當電子控制單元(7)采集到轉速信號(8)和負荷信號(9)，判斷發(fā)動機(3)處于中低轉速和負荷工況時，電子控制單元(7)調節(jié)進氣混氫噴嘴(2)至完全開啟狀態(tài)的1/2，使氫氣存儲裝置(I)中的氫氣進入發(fā)動機的進氣管； III)當電子控制單元(7)采集到轉速信號(8)和負荷信號(9)，判斷發(fā)動機(3)處于中高轉速和負荷工況時，電子控制單元(7)調節(jié)進氣混氫噴嘴(2)至完全開啟狀態(tài)的1/4，使氫氣存儲裝置(I)中的氫氣進入發(fā)動機的進氣管； IV)當電子控制單元(7)采集到轉速信號(8)和負荷信號(9)，判斷發(fā)動機(3)處于高轉速和負荷工況時，電子控制單元(7)調節(jié)進氣混氫噴嘴(2)至完全閉合狀態(tài)，避免氫氣存儲裝置(I)中的氫氣進入發(fā)動機的進氣管。
4.根據(jù)權利要求3所述的控制方法，對于不同的發(fā)動機工況和排氣溫度條件，采用不同的排氣混氫控制策略，其特征在于具體控制方法如下 I )當電子控制單元(7)通過排氣溫度傳感器(5)檢測到排氣溫度低于250°C時，電子控制單元(7 )調節(jié)排氣混氫噴嘴(4)至完全閉合狀態(tài)，避免氫氣存儲裝置(I)中的氫氣進入發(fā)動機的排氣管； II)當電子控制單元(7)通過排氣溫度傳感器(5)檢測到排氣溫度高于250°C，并通過轉速信號(8)和負荷信號(9)判斷發(fā)動機(3)處于冷啟動工況時，電子控制單元(7)調節(jié)排氣混氫噴嘴(4)至完全閉合狀態(tài)，避免氫氣存儲裝置(I)中的氫氣進入發(fā)動機的排氣管； III)當電子控制單元(7)通過排氣溫度傳感器(5)檢測到排氣溫度高于250°C，并通過轉速信號(8)和負荷信號(9)判斷發(fā)動機(3)處于中低轉速和負荷工況時，電子控制單元(7)調節(jié)排氣混氫噴嘴(4)至完全開啟狀態(tài)的1/4，使氫氣存儲裝置(I)中的氫氣進入發(fā)動機的排氣管； IV)當電子控制單元(7)通過排氣溫度傳感器(5)檢測到排氣溫度高于250°C，并通過轉速信號(8)和負荷信號(9)判斷發(fā)動機(3)處于中高轉速和負荷工況時，電子控制單元(7)調節(jié)排氣混氫噴嘴(4)至完全開啟狀態(tài)的1/2，使氫氣存儲裝置(I)中的氫氣進入發(fā)動機的排氣管； V)當電子控制單元(7)通過排氣溫度傳感器(5)檢測到排氣溫度高于250°C，并通過轉速信號(8)和負荷信號(9)判斷發(fā)動機(3)處于高轉速和負荷工況時，電子控制單元(7)調節(jié)排氣混氫噴嘴(4)至完全開啟狀態(tài)，使氫氣存儲裝置(I)中的氫氣進入發(fā)動機的排氣管。
全文摘要
一種降低發(fā)動機有害排放的裝置及方法，裝置主要包括氫氣存儲裝置、進氣混氫噴嘴、發(fā)動機、排氣混氫噴嘴、排氣溫度傳感器、催化反應器、電子控制單元。本發(fā)明通過電子控制單元收集發(fā)動機轉速、負荷和排氣溫度信號，在發(fā)動機進氣中噴入氫氣實現(xiàn)混氫燃燒，從而降低尾氣中HC和CO的目的，然而NOx的排放有所升高。因此，在發(fā)動機排氣中混入氫氣，在催化劑和一定的溫度條件下，利用氫氣良好的還原性減少尾氣中的NOx。最終改善發(fā)動機缸內燃燒，減少車輛HC、CO和NOx的排放，從而達到了節(jié)能減排的目的。
文檔編號F01N3/36GK102926849SQ20121046032
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月15日 優(yōu)先權日2012年11月15日
發(fā)明者紀常偉, 戴曉旭, 陳志頻 申請人:北京工業(yè)大學