專利名稱：一種基于車載制氫氧機(jī)的內(nèi)燃機(jī)排放控制裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種基于車載制氫氧機(jī)的內(nèi)燃機(jī)排放控制裝置及方法，具體內(nèi)容涉及一種基于車載制氫氧機(jī)隨車制取氫、氧氣降低內(nèi)燃機(jī)排放的裝置及氫、氧氣噴射比例控制， 屬于內(nèi)燃機(jī)排放控制領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
內(nèi)燃機(jī)是一種被普遍應(yīng)用于運(yùn)輸車輛及工程機(jī)械的動(dòng)力裝置。但汽油機(jī)在工作過程中會(huì)產(chǎn)生較高的HC、CO及NOx等有害排放。對(duì)采用燃料進(jìn)氣道噴射技術(shù)的汽油機(jī)而言， 通過在排氣管上安裝三元催化器可以在一定程度上降低其有害排放。但三元催化器僅能夠在理論過量空氣系數(shù)附近高效工作，而直噴汽油機(jī)在工作時(shí)缸內(nèi)混合氣的過量空氣系數(shù)往往高于理論值，從而使三元催化器難以將HC、CO及NOx充分催化轉(zhuǎn)化成水、二氧化碳和氮?dú)?。同時(shí)，柴油機(jī)在運(yùn)行時(shí)也會(huì)產(chǎn)生大量的碳煙及NOx排放。通過顆粒捕集器結(jié)合選擇性催化還原的方法可以在一定程度上改善柴油機(jī)的碳煙及顆粒物排放，但柴油中的硫會(huì)導(dǎo)致催化器中毒，從而縮短催化器的使用壽命。此外，目前內(nèi)燃機(jī)所使用的顆粒捕集器和選擇性催化器的制造和使用成本也相對(duì)較高。氫氣是一種很好的還原劑，而氧氣則是一種優(yōu)良的氧化劑。因此，利用氫氣能夠有效地還原NOx，而利用氧氣則可以很好地將HC、CO及碳煙氧化成水和二氧化碳。但在車輛上使用氫氣和氧氣將內(nèi)燃機(jī)的HC、CO、NOx及顆粒物排放轉(zhuǎn)化成水、二氧化碳和氮?dú)猓约皻錃夂脱鯕怆S車制取、儲(chǔ)存的問題仍然沒有得到解決。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)目前內(nèi)燃機(jī)所存在的高HC、CO、NOx及碳煙排放的問題，本發(fā)明提供一種基于車載制氫氧機(jī)的內(nèi)燃機(jī)排放控制裝置及方法。本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案，該發(fā)明中的一種基于車載制氫氧機(jī)的內(nèi)燃機(jī)排放控制裝置包括內(nèi)燃機(jī)汽油機(jī)或柴油機(jī)本體13，內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣管14和內(nèi)燃機(jī)排氣管10。其特征在于增加了一套尾氣催化轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，一套氫氧氣噴射系統(tǒng)及一套車載氫、氧氣制取、儲(chǔ)存系統(tǒng)，包括制氫氧機(jī)1、氫氣儲(chǔ)存罐2、氧氣儲(chǔ)存罐3、氫氣管路阻燃閥4、氧氣管路阻燃閥 5、氧氣噴嘴6、氫氣噴嘴7、還原催化器8、氧化催化器9、寬域氧傳感器11、排氣溫度傳感器 12、原發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元15及氫氧氣電子控制單元16。還原催化器8與氧化催化器9中分別裝有賤金屬銅基催化劑或鎳基催化劑。車載制氫氧機(jī)1在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)將通過電解水制得的氫氣和氧氣分別通過不銹鋼管路存儲(chǔ)在氫氣儲(chǔ)存罐2和氧氣儲(chǔ)存罐3中；氫氣儲(chǔ)存罐2和氧氣儲(chǔ)存罐3分別通過不銹鋼管路與氫氣管路阻燃閥4、氧氣管路阻燃閥5、氧氣噴嘴6和氫氣噴嘴7相連接；氧氣噴嘴6和氫氣噴嘴7通過法蘭分別固定在氧化催化器9和還原催化器8上；寬域氧傳感器11、排氣溫度傳感器12、氧化催化器9及還原催化器8分別通過法蘭固定在內(nèi)燃機(jī)排氣總管上，還原催化器8安裝在氧化催化器9之前。原發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元15采集原機(jī)各種傳感器信號(hào)a，并通過屏蔽電纜與氫氧氣電子控制單元16相連接，使氫氧氣電子控制單元16獲得發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速信號(hào)b及空氣流量信號(hào)c ；寬域氧傳感器11及排氣溫度傳感器12分別通過屏蔽電纜與氫氧氣電子控制單元16相連接，發(fā)出混合氣過量空氣系數(shù)信號(hào)d及排氣管溫度信號(hào)e ；氫氧氣電子控制單元16通過屏蔽電纜與氧氣噴嘴6和氫氣噴嘴7相連，通過發(fā)出信號(hào)g、f控制氧氣噴嘴6和氫氣噴嘴7的打開和關(guān)閉。 上述的還原催化器8和氧化催化器9上分別裝有賤金屬銅基或鎳基催化劑；還原催化器8安裝在氧化催化器9之前，以便利用HC、CO排放作為還原劑在還原催化器8中催化還原NOx排放?！N基于車載制氫氧機(jī)的內(nèi)燃機(jī)排放控制裝置的控制方法如下一種基于車載制氫氧機(jī)的內(nèi)燃機(jī)排放控制裝置在運(yùn)行時(shí)，制氫氧機(jī)將制得的氫氣和氧氣存儲(chǔ)在氫氣儲(chǔ)存罐2和氧氣儲(chǔ)存罐3中。氫氧氣電子控制單元16獲得來自排氣溫度傳感器12的排氣管溫度信號(hào)e，并根據(jù)排氣溫度判定氫氣和氧氣噴嘴是否打開。當(dāng)排氣溫度低于催化劑起燃溫度約為250°C時(shí)，催化劑難以充分將發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣在氫氣和氧氣的作用下催化轉(zhuǎn)化，所以此時(shí)氫氧氣電子控制單元16發(fā)出控制信號(hào)g、f使氧氣噴嘴6和氫氣噴嘴7被關(guān)閉。當(dāng)排氣溫度高于催化劑起燃溫度約為250°C時(shí)，氫氧氣電子控制單元16發(fā)出控制信號(hào)g、f使氧氣噴嘴6和氫氣噴嘴7被打開，并根據(jù)從原發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元15獲得的轉(zhuǎn)速信號(hào)b及空氣流量信號(hào)c，來自寬域氧傳感器11的混合氣過量空氣系數(shù)信號(hào)d發(fā)出控制信號(hào)g、f計(jì)算不同轉(zhuǎn)速、負(fù)荷及過量空氣系數(shù)下氫氣和氧氣的基本噴射量和修正噴射量，并控制氧氣噴嘴6和氫氣噴嘴7的打開和關(guān)閉，使HC、C0及顆粒物在氧化催化器9中被氧氣氧化成水和二氧化碳，并使NOx在還原催化器8中被還原成氮?dú)夂退溲鯕怆娮涌刂茊卧?6所控制的氫氣和氧氣噴嘴的每循環(huán)實(shí)際噴射脈寬分別由其各自的基本噴射脈寬和修正噴射脈寬相加得到。氫氣和氧氣基本噴射脈寬的計(jì)算氫氧氣電子控制單元16根據(jù)從原發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元15獲得的轉(zhuǎn)速信號(hào)b及空氣流量信號(hào)c并根據(jù)tH2,b = 15ma/(paXVdXN)[式1] 以及tQ2,b = 9. 75ma/( PaX VdXN)[式2]計(jì)算氫氣和氧氣的基本噴射脈寬。式1及式2中， tH2,b與‘』分別為氫氣和氧氣的基本噴射脈寬ms，ma為從空氣流量信號(hào)c獲得的空氣質(zhì)量流量信號(hào)，Pa為空氣密度，Vd為內(nèi)燃機(jī)排量，N為從轉(zhuǎn)速信號(hào)b獲得的內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷加大時(shí)，氫氧氣電子控制單元16可以根據(jù)利用式1和式2所計(jì)算得到的結(jié)果自動(dòng)加大氫氣和氧氣的噴射脈寬，使更多的氫氣和氧氣能夠在還原催化器8與氧化催化器9中將 HC、CO、NOx和顆粒物充分轉(zhuǎn)化為水、二氧化碳和氮?dú)?。氫氣和氧氣修正噴射脈寬的計(jì)算氫氧氣電子控制單元16還根據(jù)混合氣過量空氣系數(shù)確定氫氣和氧氣的修正噴射量。根據(jù)不同的過量空氣系數(shù)范圍，氫氣和氧氣的修正噴射量控制又可分為濃混合氣、理論混合氣和稀混合氣三種情況過量空氣系數(shù)λ等于實(shí)際空燃比與理論空燃比的比值，在內(nèi)燃機(jī)上可以通過氧傳感器信號(hào)獲得。1)濃混合氣(λ < 1.00)當(dāng)混合氣過量空氣系數(shù)λ < 1.00時(shí)，氫氧氣電子控制單元16判定缸內(nèi)混合氣為濃混合氣，此時(shí)內(nèi)燃機(jī)排放主要為由于不充分燃燒所導(dǎo)致的HC、C0及顆粒物排放，而NOx 排放量相對(duì)較少。因此，在λ < 1.00時(shí)，氫氧氣電子控制單元16加大氧氣修正噴射量，使氧氣修正噴射脈寬在Oms至+Ims之間變化，且隨過量空氣系數(shù)的降低而增加；同時(shí)，在 λ < 1. 00時(shí)，氫氧氣電子控制單元16降低氫氣修正噴射量，使氫氣修正噴射脈寬在Oms 至-Ims之間變化，且隨過量空氣系數(shù)的降低而減小。2)理論混合氣(λ = 1.00)當(dāng)混合氣過量空氣系數(shù)λ = 1. 00時(shí)，氫氧氣電子控制單元16判定缸內(nèi)混合氣為理論混合氣，此時(shí)氫氣和氧氣的實(shí)際噴射量僅由基本噴射量決定。3)稀混合氣(λ > 1.00)當(dāng)混合氣過量空氣系 數(shù)λ > 1. 00時(shí)，氫氧氣電子控制單元16判定缸內(nèi)混合氣為稀混合氣，此時(shí)內(nèi)燃機(jī)排放主要為由于富氧燃燒所導(dǎo)致的NOx排放，而HC、C0及顆粒物排放量相對(duì)較少。隨過量空氣系數(shù)的增加，缸內(nèi)氧濃度提高，所以HC、C0及顆粒物排放均隨λ增加而降低，少量的氧氣就可以將上述三中排放充分轉(zhuǎn)化成水和二氧化碳。因此，λ > 1.00 時(shí)，氫氧氣電子控制單元16通過發(fā)出信號(hào)g縮短氧氣噴嘴6的開啟時(shí)間，使氧氣修正噴射量在0至-2ms內(nèi)變化，且隨過量空氣系數(shù)的增加而減小。內(nèi)燃機(jī)NOx排放與氧濃度和缸內(nèi)溫度同時(shí)相關(guān)，隨過量空氣系數(shù)的增加，缸內(nèi)氧濃度提高，但燃料燃燒溫度降低。因此，內(nèi)燃機(jī)NOx排放的最大值出現(xiàn)在過量空氣系數(shù)為1. 10時(shí)。所以，在λ > 1.00時(shí)，氫氣的修正噴射量又可以分為λ =< 1. 10和λ > 1. 10兩種情況。在λ =< 1. 10時(shí)，NOx排放隨 λ的升高而增加。因此，在λ =<1.10時(shí)，氫氧氣電子控制單元16通過發(fā)出信號(hào)f延長氫氣噴嘴7的開啟時(shí)間，使氫氣修正噴射量在+0至+1. 5ms間變化，且隨過量空氣系數(shù)的增加而增加。在λ > 1. 10，NOx排放隨λ的升高而減少。因此，在λ > 1. 10時(shí)，氫氧氣電子控制單元16通過發(fā)出信號(hào)f逐漸縮短氫氣噴嘴7的開啟時(shí)間，使氫氣的修正噴射脈寬在 +1. 5ms至-Ims間變化，且隨過量空氣系數(shù)的增加而減小。本發(fā)明的工作過程制氫氧機(jī)1在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)將制得的氧氣和氫氣分別存儲(chǔ)在儲(chǔ)氫氣存罐2和氧氣儲(chǔ)存罐3中。氫氧氣電子控制單元16首先根據(jù)排氣溫度信號(hào)e決定是否噴氫、噴氧。當(dāng)排氣溫度低于250°C時(shí)，氫氧氣電子控制單元16發(fā)出控制信號(hào)g、f關(guān)閉氧氣噴嘴6和氫氣噴嘴7。當(dāng)排氣溫度大于等于250°C時(shí)，氫氧氣電子控制單元16首先根據(jù)從原機(jī)電子控制單元15獲得的轉(zhuǎn)速信號(hào)b及空氣流量信號(hào)c，以及從寬域氧傳感器獲得的混合氣過量空氣系數(shù)信號(hào)d計(jì)算基本氫氣和氧氣噴射量。同時(shí)，氫氧氣電子控制單元 16根據(jù)混合氣過量空氣系數(shù)信號(hào)d確定氫氣和氧氣的修正噴射量。當(dāng)λ <1.00時(shí)，氫氧氣電子控制單元16加大氧氣修正噴射量，并降低氫氣修正噴射量；在λ =L00時(shí)，氫氣和氧氣修正噴射量為零；在1. 00 < λ =< 1. 10時(shí)，氫氣修正噴射量隨λ增加而提高，氧氣修正噴射量隨λ增加而降低；在1. 10 < λ時(shí)，氫氣和氧氣的修正噴射量均隨λ增加而降低。在任一發(fā)動(dòng)機(jī)工況下，氫氧氣電子控制單元16根據(jù)計(jì)算得到的氫氣和氧氣的基本噴射量和修正噴射量發(fā)出控制信號(hào)g、f調(diào)整氧氣噴嘴6和氫氣噴嘴7的開啟時(shí)間，從而調(diào)整氧氣和氫氣的噴射量。本發(fā)明的有益效果是，針對(duì)目前內(nèi)燃機(jī)尾氣處理裝置成本高、壽命短，汽油機(jī)三元催化器工作范圍窄的問題，提出利用車載制氫機(jī)制取氫、氧氣，并利用賤金屬銅基和鎳基催化劑處理汽油機(jī)和柴油機(jī)運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的HC、CO、NOx和顆粒物等主要有害排放。催化劑達(dá)到起燃溫度后，根據(jù)內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣量確定氫氣和氧氣的基礎(chǔ)噴射量，并根據(jù)混合氣過量空氣系數(shù)確定氫氣和氧氣的修正噴射量，使整套尾氣催化轉(zhuǎn)化系統(tǒng)可以在任意內(nèi)燃機(jī)負(fù)荷和混合氣過量空氣系數(shù)條件下有效地將HC、CO、NOx和顆粒物排放轉(zhuǎn)化為水、氮?dú)夂投趸?。采用賤金屬銅基和鎳基催化劑也消除了傳統(tǒng)三元催化轉(zhuǎn)化器及選擇性催化轉(zhuǎn)化器中鉬、銠、鈀等貴金屬的使用，從而使本系統(tǒng)的使用成本大大降低。利用車載制氫機(jī)隨車制取氫氣和氧氣也解決了氫氧氣的隨車儲(chǔ)運(yùn)和加注問題，從而使本裝置成為種改善內(nèi)燃機(jī)排放性能的有效技術(shù)手段。


圖1本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和工作原理圖1.制氫氧機(jī)；2.氫氣儲(chǔ)存罐；3.氧氣儲(chǔ)存罐；4.氫氣管路阻燃閥；5.氧氣管路阻燃閥；6.氧氣噴嘴；7.氫氣噴嘴；8.還原催化器；9.氧化催化器；10.內(nèi)燃機(jī)排氣管；11.寬域氧傳感器；12.排氣溫度傳感器；13.內(nèi)燃機(jī)；14.內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣管；15.原機(jī)電子控制單元； 16.氫氧氣電子控制單元a.原機(jī)傳感器信號(hào)；b.轉(zhuǎn)速信號(hào)；c.空氣流量信號(hào)；d.混合氣過量空氣系數(shù)信號(hào)；e.排氣溫度信號(hào)；f.氫氣噴嘴控制信號(hào)；g.氧氣噴嘴控制信號(hào)
具體實(shí)施例方式實(shí)施例在汽油和柴油兩種內(nèi)燃機(jī)不同的工作條件下進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)所用發(fā)動(dòng)機(jī)為直列四缸2. 4升高壓共軌直噴柴油機(jī)和直列四缸1. 6L進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)，兩臺(tái)內(nèi)燃機(jī)均按照?qǐng)D1所示進(jìn)行改造，安裝隨車制取氫、氧氣降低內(nèi)燃機(jī)排放的裝置。該系統(tǒng)包括內(nèi)燃機(jī)13以及安裝在原內(nèi)燃機(jī)13上的內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣管14和內(nèi)燃機(jī)排氣管10，還原催化器8和氧化催化劑9依次通過法蘭安裝在內(nèi)燃機(jī)排氣管10上，在還原催化器8和氧化催化劑9上分別通過法蘭安裝氫氣噴嘴7和氧氣噴嘴6，氫氣噴嘴7和氧氣噴嘴6還分別通過不銹鋼管路與氫氣管路阻燃閥4、氫氣儲(chǔ)存罐2、氧氣管路阻燃閥5及氧氣儲(chǔ)存罐3相連接，氫氣儲(chǔ)存罐2和氧氣儲(chǔ)存罐3分別通過不銹鋼管路與制氫氧機(jī)1相連接，排氣溫度傳感器12和寬域氧傳感器11分別通過螺紋安裝在內(nèi)燃機(jī)排氣管10上，原機(jī)電子控制單元15通過屏蔽電纜與原機(jī)傳感器相連接，并獲得原機(jī)傳感器信號(hào)a，原機(jī)電子控制單元15通過屏蔽電纜與氫氧氣電子控制單元16相連，并向氫氧氣電子控制單元16發(fā)出轉(zhuǎn)速信號(hào)b及空氣流量信號(hào)c，氫氧氣電子控制單元16通過屏蔽電纜與排氣溫度傳感器 12和寬域氧傳感器11分別相連接，并獲得排氣溫度信號(hào)e及混合氣過量空氣系數(shù)信號(hào)d， 氫氧氣電子控制單元16還通過屏蔽電纜與氫氣噴嘴7和氧氣噴嘴6，并發(fā)出氫氣噴嘴控制信號(hào)f和氧氣噴嘴控制信號(hào)g。柴油機(jī)實(shí)驗(yàn)用油為市售0#柴油，汽油機(jī)實(shí)驗(yàn)采用市售93#汽油，氫氣和氧氣由車用制氫氧機(jī)提供。還原催化器8和氧化催化劑9中使用銅基催化劑。使用HOriba-7100DEGR 型排放儀測量各實(shí)驗(yàn)工況下催化前和催化后的HC、C0及NOx排放，使用AVL Di-smoke4000 煙度計(jì)測量柴油機(jī)催化前后的顆粒排放變化。為充分驗(yàn)證該發(fā)明的效果，柴油機(jī)和汽油機(jī)實(shí)驗(yàn)均不同的負(fù)荷和過量空氣系數(shù)條件下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)所選擇的轉(zhuǎn)速為城市道路條件下內(nèi)燃機(jī)典型轉(zhuǎn)速1400r/min。由于在排氣道溫度低于250°C時(shí)催化劑不起燃，因此全部實(shí)驗(yàn)在排氣道溫度高于250°C時(shí)進(jìn)行。在實(shí)施例中各個(gè)參數(shù)參照發(fā)明內(nèi)容敘述的范圍選取，具體實(shí)施方式
如下實(shí)施例1 柴油機(jī)實(shí)驗(yàn)，其排氣道溫度為320°C。
實(shí)驗(yàn)在內(nèi)燃機(jī)1400r/min，轉(zhuǎn)矩為50Nm、100Nm和150Nm條件下進(jìn)行，三種不同轉(zhuǎn)矩條件下發(fā)動(dòng)機(jī)的過量空氣系數(shù)依次為5. 21,3. 17和1. 96。在轉(zhuǎn)矩為50Nm，過量空氣系數(shù)為5. 21時(shí)，氫氧氣電子控制單元16根據(jù)從原機(jī)電子控制單元15獲得的轉(zhuǎn)速信號(hào)b、空氣流量信號(hào)c，以及從寬域氧傳感器獲得的混合氣過量空氣系數(shù)信號(hào)山計(jì)算得到氫氣和氧氣每循環(huán)基本噴射脈寬為+2. 08ms及+1. 36ms,修正噴射脈寬分別為-0. 8ms及-1. 22ms,因此，在該工況下氫氧氣電子控制單元16發(fā)出控制信號(hào) g、f調(diào)整氫氣噴嘴7和氧氣噴嘴6每循環(huán)開啟時(shí)間分別為+1. 28ms和+0. 14ms，利用排放分析儀測得內(nèi)燃機(jī)尾氣處理前HC、CO及NOx分別為467ppm，108ppm, 41ppm,不透光煙度為
18.7% ；經(jīng)過催化系統(tǒng)處理后HC、CO及NOx分別為7ppm，6ppm，3ppm，不透光煙度為1. 2%。在轉(zhuǎn)矩為lOONm，過量空氣系數(shù)為3. 17時(shí)，氫氧氣電子控制單元16根據(jù)從原機(jī)電子控制單元15獲得的轉(zhuǎn)速信號(hào)b、空氣流量信號(hào)c，以及從寬域氧傳感器獲得的混合氣過量空氣系數(shù)信號(hào)d，計(jì)算得到氫氣和氧氣每循環(huán)基本噴射脈寬為+4. 17ms及+2. 71ms,修正噴射脈寬分別為-0. 2ms及+-0. 74ms,因此，在該工況下氫氧氣電子控制單元16發(fā)出控制信號(hào)g、f調(diào)整氫氣噴嘴7和氧氣噴嘴6每循環(huán)開啟時(shí)間分別為+3. 97ms和+1. 97ms，利用排放分析儀測得內(nèi)燃機(jī)尾氣處理前HC、CO及NOx分別為543ppm，147ppm, 96ppm,不透光煙度為
19.2% ；經(jīng)過催化系統(tǒng)處理后HC、CO及NOx分別為6ppm，6ppm，4ppm，不透光煙度為1. 4%。在轉(zhuǎn)矩為150Nm，過量空氣系數(shù)為1. 96時(shí)，氫氧氣電子控制單元16根據(jù)從原機(jī)電子控制單元15獲得的轉(zhuǎn)速信號(hào)b、空氣流量信號(hào)c，以及從寬域氧傳感器獲得的混合氣過量空氣系數(shù)信號(hào)d，計(jì)算得到氫氣和氧氣每循環(huán)基本噴射脈寬為+6. 25ms及+4. 06ms,修正噴射脈寬分別為+0. 62ms及-0. 46ms,因此，在該工況下氫氧氣電子控制單元16發(fā)出控制信號(hào)g、f調(diào)整氫氣噴嘴7和氧氣噴嘴6每循環(huán)開啟時(shí)間分別為+6. 87ms和+3. 6ms，利用排放分析儀測得內(nèi)燃機(jī)尾氣處理前HC、C0及NOx分別為591ppm，177ppm, 159ppm,不透光煙度為
20.1 % ；經(jīng)過催化系統(tǒng)處理后HC、CO及NOx分別為7ppm，5ppm, 8ppm,不透光煙度為1.5%。實(shí)施例2 汽油機(jī)實(shí)驗(yàn)，其排氣道溫度353°C。汽油機(jī)實(shí)驗(yàn)首先在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1400r/min，轉(zhuǎn)矩為60Nm的條件下驗(yàn)證本裝置在不同過量空氣系數(shù)條件下對(duì)汽油機(jī)排放的改善效果。在該轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩下，混合氣過量空氣系數(shù)分別調(diào)整為功率混合氣所對(duì)應(yīng)的過量空氣系數(shù)λ = 0.85，理論混合氣所對(duì)應(yīng)的過量空氣系數(shù)λ = 1. 00和經(jīng)濟(jì)混合氣所對(duì)應(yīng)的過量空氣系數(shù)λ = 1. 15。在過量空氣系數(shù)為 0. 85時(shí)，氫氧氣電子控制單元16根據(jù)從原機(jī)電子控制單元15獲得的轉(zhuǎn)速信號(hào)b、空氣流量信號(hào)c，以及從寬域氧傳感器獲得的混合氣過量空氣系數(shù)信號(hào)d，計(jì)算得到氫氣和氧氣每循環(huán)基本噴射脈寬為+4. 09ms及+2. 66ms,修正噴射脈寬分別為_0. 85ms及+0. 85ms,因此，在該工況下氫氧氣電子控制單元16發(fā)出控制信號(hào)g、f調(diào)整氫氣噴嘴7和氧氣噴嘴6每循環(huán)開啟時(shí)間分別為+3. 24ms和+3. 51ms，利用排放分析儀測得內(nèi)燃機(jī)尾氣處理前HC、C0及NOx 分別為736ppm，361ppm, 36ppm,不透光煙度為3. 7% ；經(jīng)過催化系統(tǒng)處理后HC、CO及NOx分別為8ppm，8ppm，lppm，不透光煙度為1.9%。在過量空氣系數(shù)為1. 00時(shí)，氫氧氣電子控制單元16根據(jù)從原機(jī)電子控制單元15 獲得的轉(zhuǎn)速信號(hào)b、空氣流量信號(hào)c，以及從寬域氧傳感器獲得的混合氣過量空氣系數(shù)信號(hào) d，計(jì)算得到氫氣和氧氣每循環(huán)基本噴射脈寬為+4. 09ms及+2. 66ms，氫氣和氧氣的修正噴射脈寬均為Oms，因此，在該工況下氫氧氣電子控制單元16發(fā)出控制信號(hào)g、f調(diào)整氫氣噴嘴7和氧氣噴嘴6每循環(huán)開啟時(shí)間分別為+4. 09ms及+2. 66ms，利用排放分析儀測得內(nèi)燃機(jī)尾氣處理前HC、CO及NOx分別為421ppm，125ppm, 57ppm,不透光煙度為2. 1 % ；經(jīng)過催化系統(tǒng)處理后HC、CO及NOx分別為5ppm，4ppm, 3ppm,不透光煙度為0. 9%。 在過量空氣系數(shù)為1. 15時(shí)，氫氧氣電子控制單元16根據(jù)從原機(jī)電子控制單元15 獲得的轉(zhuǎn)速信號(hào)b、空氣流量信號(hào)c，以及從寬域氧傳感器獲得的混合氣過量空氣系數(shù)信號(hào) d，計(jì)算得到氫氣和氧氣每循環(huán)基本噴射脈寬為+4. 09ms及+2. 66ms,修正噴射脈寬分別為 +0. 80ms及-1. IOms,因此，在該工況下氫氧氣電子控制單元16發(fā)出控制信號(hào)g、f調(diào)整氫氣噴嘴7和氧氣噴嘴6每循環(huán)開啟時(shí)間分別為4. 89ms和1. 56ms，利用排放分析儀測得內(nèi)燃機(jī)尾氣處理前HC、C0及NOx分別為124ppm，51ppm，72ppm，不透光煙度為1.6% ；經(jīng)過催化系統(tǒng)處理后HC、CO及NOx分別為2ppm，lppm, 5ppm,不透光煙度為0. 3%。之后，在理論過量空氣系數(shù)λ = 1.00的條件下驗(yàn)證該發(fā)明裝置對(duì)汽油機(jī)不同負(fù)荷條件下排放物改善作用。實(shí)驗(yàn)在轉(zhuǎn)速為1400r/min，過量空氣系數(shù)為1.00，轉(zhuǎn)矩分別為 30Nm和90Nm的條件下進(jìn)行。在轉(zhuǎn)矩為30Nm的條件下，氫氧氣電子控制單元16根據(jù)從原機(jī)電子控制單元15獲得的轉(zhuǎn)速信號(hào)b、空氣流量信號(hào)c，以及從寬域氧傳感器獲得的混合氣過量空氣系數(shù)信號(hào)d，計(jì)算得到氫氣和氧氣每循環(huán)基本噴射脈寬為+2. 05ms及+1. 33ms，修正噴射脈寬分均為0ms，因此，在該工況下氫氧氣電子控制單元16發(fā)出控制信號(hào)g、f調(diào)整氫氣噴嘴7和氧氣噴嘴6每循環(huán)開啟時(shí)間分別為+2. 05ms及+1. 33ms，利用排放分析儀測得內(nèi)燃機(jī)尾氣處理前HC、CO及NOx分別為477ppm，140ppm, 51ppm,不透光煙度為1.8% ；經(jīng)過催化系統(tǒng)處理后HC、CO及NOx分別為5ppm，6ppm, lppm,不透光煙度為0. 5%。在轉(zhuǎn)矩為90Nm的條件下，氫氧氣電子控制單元16根據(jù)從原機(jī)電子控制單元15 獲得的轉(zhuǎn)速信號(hào)b、空氣流量信號(hào)c，以及從寬域氧傳感器獲得的混合氣過量空氣系數(shù)信號(hào) d，計(jì)算得到氫氣和氧氣每循環(huán)基本噴射脈寬為+2. 05ms及+1. 33ms,修正噴射脈寬分均為 Oms,因此，在該工況下氫氧氣電子控制單元16發(fā)出控制信號(hào)g、f調(diào)整氫氣噴嘴7和氧氣噴嘴6每循環(huán)開啟時(shí)間分別為+2. 05ms及+1. 33ms，利用排放分析儀測得內(nèi)燃機(jī)尾氣處理前 HCXO及NOx分別為376ppm，103ppm, 79ppm,不透光煙度為2. 6% ；經(jīng)過催化系統(tǒng)處理后HC、 CO及NOx分別為3ppm，3ppm, 2ppm,不透光煙度為0. 7%。這主要是因?yàn)樵阢~基催化劑的催化作用下，氧氣能夠快速將柴油機(jī)排放中的HC、CO和顆粒物氧化為水和二氧化碳，同時(shí)，氫氣也可以有效地將NOx還原為氮?dú)夂退Ｓ捎诙趸蓟瘜W(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，且氫氣在還原催化器8中發(fā)生還原NOx反應(yīng)時(shí)的溫度和壓力較低，所以在還原反應(yīng)中二氧化碳不會(huì)被氫氣還原，重新生成CO等有害排放物質(zhì)。上述的內(nèi)燃機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用本發(fā)明提供的一種基于車載制氫氧機(jī)的內(nèi)燃機(jī)排放控制裝置及方法，可以在不同工況下對(duì)汽油機(jī)和柴油機(jī)兩種典型內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的HC、C0、N0x及顆粒物排放起到顯著的改善作用。由于系統(tǒng)中采用制氫氧機(jī)隨車制取氫氣和氧氣，解決了氫氣和氧氣隨車儲(chǔ)運(yùn)的問題，同時(shí)賤金屬催化劑的使用也降低了傳統(tǒng)三元催化器和選擇性催化器中貴金屬的使用量，使該技術(shù)為內(nèi)燃機(jī)達(dá)到歐五排放標(biāo)準(zhǔn)提供了低成本的有益技術(shù)路線。
權(quán)利要求
1.一種基于車載制氫氧機(jī)的內(nèi)燃機(jī)排放控制裝置，其特征在于在保留內(nèi)燃機(jī)本體的基礎(chǔ)上增加了一套尾氣催化轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，一套氫氧氣噴射系統(tǒng)及一套車載氫、氧氣制取、儲(chǔ)存系統(tǒng)，包括制氫氧機(jī)(1)、與制氫氧機(jī)相連接的氫氣儲(chǔ)存罐( 和氧氣儲(chǔ)存罐(3)、安裝在由氫氣儲(chǔ)存罐( 引出的氫氣供給管路上的氫氣管路阻燃閥G)、安裝在由氧氣儲(chǔ)存罐(3) 引出的氧氣供給管路上的氧氣管路阻燃閥(5)、安裝在氧化催化器(9)上的位于氧氣供給管路末端的氧氣噴嘴(6)、安裝在還原催化器(8)上的位于氫氣供給管路末端的氫氣噴嘴 (7)、原內(nèi)燃機(jī)電子控制單元(1 及氫氧氣電子控制單元(16)、依次安裝在內(nèi)燃機(jī)排氣管上的排氣溫度傳感器(12)、寬域氧傳感器(11)、還原催化器(8)、氧化催化器(9)；其中原內(nèi)燃機(jī)電子控制單元(15)通過原車電纜與原內(nèi)燃機(jī)傳感器相連，獲得原內(nèi)燃機(jī)傳感器信號(hào)a ；氫氧氣電子控制單元(16)通過屏蔽電纜與原內(nèi)燃機(jī)電子控制單元(15)相連接，獲得內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)b及空氣流量信號(hào)c ；氫氧氣電子控制單元(16)通過屏蔽電纜與寬域氧傳感器(11)及排氣溫度傳感器(12) 相連接，獲得混合氣過量空氣系數(shù)信號(hào)d及排氣溫度信號(hào)e ；氫氧氣電子控制單元(16)通過屏蔽電纜與氧氣噴嘴(6)和氫氣噴嘴(7)相連，通過發(fā)出氧氣噴嘴控制信號(hào)g、氫氣噴嘴控制信號(hào)f控制氧氣噴嘴(6)和氫氣噴嘴(7)的打開和關(guān)閉。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于車載制氫氧機(jī)的內(nèi)燃機(jī)排放控制裝置，其特征在于所述還原催化器(8)和氧化催化器(9)上分別裝有賤金屬銅基或鎳基催化劑；還原催化器( 安裝在氧化催化器(9)之前，以便利用HC、CO排放作為還原劑在還原催化器(8) 中催化還原NOx排放。
3.權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的一種基于車載制氫氧機(jī)的內(nèi)燃機(jī)排放控制裝置的控制方法，其特征在于，該控制方法包括以下步驟該控制方法首先根據(jù)排氣溫度信號(hào)e判定是否可以向氧化催化器和還原催化器中噴入氫氣和氧氣；當(dāng)排氣溫度低于250°C時(shí)，氫氧氣電子控制單元(16)通過發(fā)出氧氣噴嘴控制信號(hào)g、氫氣噴嘴控制信號(hào)f停止氫氣和氧氣的噴射；當(dāng)排氣溫度高于250°C時(shí)，氫氧氣電子控制單元(16)發(fā)出氧氣噴嘴控制信號(hào)g、氫氣噴嘴控制信號(hào)f使氧氣噴嘴(6)和氫氣噴嘴(7)打開，并根據(jù)從原機(jī)電子控制單元(15)獲得的轉(zhuǎn)速信號(hào)b及空氣流量信號(hào)c，來自寬域氧傳感器(11)的混合氣過量空氣系數(shù)信號(hào)d發(fā)出氫氣噴嘴控制信號(hào)f、氧氣噴嘴控制信號(hào)g計(jì)算不同轉(zhuǎn)速、負(fù)荷及過量空氣系數(shù)下氫氣和氧氣的基本噴射量和修正噴射量，并控制氧氣噴嘴(6)和氫氣噴嘴(7)的打開和關(guān)閉，使HC、CO及顆粒物在氧化催化器(9)中被氧氣氧化成水和二氧化碳，并使NOx在還原催化器(8)中被還原成氮?dú)夂退?；氫氧氣電子控制單?16)所控制的氫氣和氧氣噴嘴的每循環(huán)實(shí)際噴射脈寬分別由其各自的基本噴射脈寬和修正噴射脈寬相加得到；氫氣和氧氣基本噴射脈寬的計(jì)算氫氧氣電子控制單元(16)根據(jù)從原發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元(15)獲得的轉(zhuǎn)速信號(hào)b及空氣流量信號(hào)c，根據(jù)tH2,b= 15ma/(PaXVd*XN)⑴以及 t02, b = 9. 75ma/( PaX VdXN)⑵計(jì)算氫氣和氧氣的基本噴射脈寬；式⑴及式(2)中，tH2, b與‘,b分別為氫氣和氧氣的基本噴射脈寬(ms)，ma為從空氣流量信號(hào)c獲得的空氣質(zhì)量流量信號(hào)，P a為空氣密度，Vd為內(nèi)燃機(jī)排量，N為從轉(zhuǎn)速信號(hào)b獲得的內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速；氫氣和氧氣修正噴射脈寬的計(jì)算氫氧氣電子控制單元(16)根據(jù)混合氣過量空氣系數(shù)λ確定氫氣和氧氣的修正噴射量；根據(jù)不同的過量空氣系數(shù)范圍，氫氣和氧氣的修正噴射量控制又可分為濃混合氣、理論混合氣和稀混合氣三種情況1)濃混合氣當(dāng)混合氣過量空氣系數(shù)λ < 1.00時(shí)，氫氧氣電子控制單元(16)判定缸內(nèi)混合氣為濃混合氣，氫氧氣電子控制單元(16)加大氧氣修正噴射量，氧氣修正噴射脈寬在Oms至+Ims 間變化；同時(shí)，在λ < 1.00時(shí)，氫氧氣電子控制單元(16)降低氫氣修正噴射量，氫氣修正噴射脈寬在Oms至-Ims之間變化；2)理論混合氣當(dāng)混合氣過量空氣系數(shù)λ = 1.00時(shí)，氫氧氣電子控制單元(16)判定缸內(nèi)混合氣為理論混合氣，此時(shí)氧氣修正噴射量與氫氣修正噴射量為0，氫氣和氧氣的實(shí)際噴射量僅由基本噴射量決定；3)稀混合氣當(dāng)混合氣過量空氣系數(shù)λ > 1.00時(shí)，氫氧氣電子控制單元(16)判定缸內(nèi)混合氣為稀混合氣，氫氧氣電子控制單元(16)通過發(fā)出氧氣噴嘴控制信號(hào)g縮短氧氣噴嘴(6)的開啟時(shí)間，使氧氣修正噴射量在0至-2ms內(nèi)變化，在λ > 1.00時(shí)，氫氣的修正噴射量又可以分為λ = < ι. ο和λ > 1. 10兩種情況在λ =< 1. 10時(shí)，氫氧氣電子控制單元(16)通過發(fā)出信號(hào)f延長氫氣噴嘴(7)的開啟時(shí)間，使氫氣修正噴射量在0至1.5ms間變化，在λ > ι. 10時(shí)，氫氧氣電子控制單元(16 )通過發(fā)出信號(hào)f縮短氫氣噴嘴(7)的開啟時(shí)間，使氫氣的修正噴射脈寬在+1. 5ms至-Ims間變化。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于車載制氫氧機(jī)的內(nèi)燃機(jī)排放控制裝置及方法，屬于內(nèi)燃機(jī)排放控制領(lǐng)域。該系統(tǒng)在保留原發(fā)動(dòng)機(jī)全部本體及控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了一套尾氣催化轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，一套氫氧氣噴射系統(tǒng)及一套車載氫、氧氣制取、儲(chǔ)存系統(tǒng)。該裝置主要包括制氫氧機(jī)、與制氫氧機(jī)相連接的氧氣儲(chǔ)存罐和氫氣儲(chǔ)存罐、氫氣及氧氣管路阻燃閥、氫氣及氧氣噴嘴、安裝在內(nèi)燃機(jī)排氣管上的氧化催化器及還原催化器、排氣溫度傳感器、寬域氧傳感器及氫氧氣電子控制單元等。氫氧氣電子控制單元根據(jù)轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣流量、過量空氣系數(shù)控制氫氣和氧氣噴嘴的開啟時(shí)間，使內(nèi)燃機(jī)尾氣在氧化性催化器和還原性催化器中被充分轉(zhuǎn)化成水、二氧化碳和氮?dú)狻?br> 文檔編號(hào)F01N3/30GK102155278SQ20111007425
公開日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2011年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月25日
發(fā)明者張健, 張擘, 汪碩峰, 紀(jì)常偉 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)