技术领域
[0001] 本
发明提供一种基于车载制氢氧机的内燃机排放控制装置及方法，具体内容涉及一种基于车载制氢氧机随车制取氢、氧气降低内燃机排放的装置及氢、氧气喷射比例控制，属于内燃机排放控制领域。
背景技术
[0002] 内燃机是一种被普遍应用于运输车辆及
工程机械的动
力装置。但
汽油机在工作过程中会产生较高的HC、CO及NOx等有害排放。对采用
燃料进气道喷射技术的汽油机而言，通过在排气管上安装三元催化器可以在一定程度上降低其有害排放。但三元催化器仅能够在理论
过量空气系数附近高效工作，而直喷汽油机在工作时缸内混合气的过量空气系数往往高于理论值，从而使三元催化器难以将HC、CO及NOx充分催化转
化成水、二氧化
碳和氮气。同时，柴油机在运行时也会产生大量的碳烟及NOx排放。通过颗粒捕集器结合
选择性催化还原的方法可以在一定程度上改善柴油机的碳烟及颗粒物排放，但柴油中的硫会导致催化器中毒，从而缩短催化器的使用寿命。此外，目前内燃机所使用的颗粒捕集器和选择性催化器的制造和使用成本也相对较高。
[0003] 氢气是一种很好的还原剂，而氧气则是一种优良的
氧化剂。因此，利用氢气能够有效地还原NOx，而利用氧气则可以很好地将HC、CO及碳烟氧化成水和二氧化碳。但在车辆上使用氢气和氧气将内燃机的HC、CO、NOx及颗粒物排放转化成水、二氧化碳和氮气，以及氢气和氧气随车制取、储存的问题仍然没有得到解决。
发明内容
[0004] 针对目前内燃机所存在的高HC、CO、NOx及碳烟排放的问题，本发明提供一种基于车载制氢氧机的内燃机排放控制装置及方法。
[0005] 本发明采用了如下的技术方案，该发明中的一种基于车载制氢氧机的内燃机排放控制装置包括内燃机汽油机或柴油机本体13，内燃机进气管14和内燃机排气管10。其特征在于增加了一套尾气催化转化系统，一套氢氧气喷射系统及一套车载氢、氧气制取、储存系统，包括：制氢氧机1、氢气储存罐2、氧气储存罐3、氢气管路阻燃
阀4、氧气管路阻燃阀5、氧气
喷嘴6、氢气喷嘴7、还原催化器8、氧化催化器9、宽域氧
传感器11、排气
温度传感器
12、原
发动机电子控制单元15及氢氧气电子控制单元16。还原催化器8与氧化催化器9中分别装有贱金属
铜基催化剂或镍基催化剂。车载制氢氧机1在发动机运行时将通过
电解水制得的氢气和氧气分别通过不锈
钢管路存储在氢气储存罐2和氧气储存罐3中；氢气储存罐2和氧气储存罐3分别通过
不锈钢管路与氢气管路阻燃阀4、氧气管路阻燃阀5、氧气喷嘴6和氢气喷嘴7相连接；氧气喷嘴6和氢气喷嘴7通过
法兰分别固定在氧化催化器9和还原催化器8上；宽域氧传感器11、排气温度传感器12、氧化催化器9及还原催化器8分别通过法兰固定在内燃机排气总管上，还原催化器8安装在氧化催化器9之前。原发动机电子控制单元15采集原机各种传感器
信号a，并通过屏蔽
电缆与氢氧气电子控制单元16相连接，使氢氧气电子控制单元16获得发动机运行时的转速信号b及空气流量信号c；宽域氧传感器11及排气温度传感器12分别通过屏蔽电缆与氢氧气电子控制单元16相连接，发出混合气过量空气系数信号d及排气管温度信号e；氢氧气电子控制单元16通过屏蔽电缆与氧气喷嘴6和氢气喷嘴7相连，通过发出信号g、f控制氧气喷嘴6和氢气喷嘴7的打开和关闭。
[0006] 上述的还原催化器8和氧化催化器9上分别装有贱金属铜基或镍基催化剂；还原催化器8安装在氧化催化器9之前，以便利用HC、CO排放作为还原剂在还原催化器8中催化还原NOx排放。
[0007] 一种基于车载制氢氧机的内燃机排放控制装置的控制方法如下：
[0008] 一种基于车载制氢氧机的内燃机排放控制装置在运行时，制氢氧机将制得的氢气和氧气存储在氢气储存罐2和氧气储存罐3中。氢氧气电子控制单元16获得来自排气温度传感器12的排气管温度信号e，并根据排气温度判定氢气和氧气喷嘴是否打开。当排气温度低于催化剂起燃温度约为250℃时，催化剂难以充分将发动机尾气在氢气和氧气的作用下催化转化，所以此时氢氧气电子控制单元16发出
控制信号g、f使氧气喷嘴6和氢气喷嘴7被关闭。当排气温度高于催化剂起燃温度约为250℃时，氢氧气电子控制单元16发出控制信号g、f使氧气喷嘴6和氢气喷嘴7被打开，并根据从原发动机电子控制单元15获得的转速信号b及空气流量信号c，来自宽域氧传感器11的混合气过量空气系数信号d发出控制信号g、f计算不同转速、负荷及过量空气系数下氢气和氧气的基本喷射量和修正喷射量，并控制氧气喷嘴6和氢气喷嘴7的打开和关闭，使HC、CO及颗粒物在氧化催化器9中被氧气氧化成水和二氧化碳，并使NOx在还原催化器8中被还原成氮气和水。
[0009] 氢氧气电子控制单元16所控制的氢气和氧气喷嘴的每循环实际喷射脉宽分别由其各自的基本喷射脉宽和修正喷射脉宽相加得到。
[0010] 氢气和氧气基本喷射脉宽的计算：氢氧气电子控制单元16根据从原发动机电子控制单元15获得的转速信号b及空气流量信号c并根据tH2，b＝15ma/(ρa×Vd×N)[式1]以及tO2，b＝9.75ma/(ρa×Vd×N)[式2]计算氢气和氧气的基本喷射脉宽。式1及式2中，tH2，b与tO2，b分别为氢气和氧气的基本喷射脉宽ms，ma为从空气流量信号c获得的空气
质量流量信号，ρa为空气
密度，Vd为内燃机
排量，N为从转速信号b获得的内燃机转速。当发动机负荷加大时，氢氧气电子控制单元16可以根据利用式1和式2所计算得到的结果自动加大氢气和氧气的喷射脉宽，使更多的氢气和氧气能够在还原催化器8与氧化催化器9中将HC、CO、NOx和颗粒物充分转化为水、二氧化碳和氮气。
[0011] 氢气和氧气修正喷射脉宽的计算：氢氧气电子控制单元16还根据混合气过量空气系数确定氢气和氧气的修正喷射量。根据不同的过量空气系数范围，氢气和氧气的修正喷射量控制又可分为浓混合气、理论混合气和稀混合气三种情况：
[0012] 过量空气系数λ等于实际
空燃比与理论空燃比的比值，在内燃机上可以通过氧传感器信号获得。
[0013] 1)浓混合气(λ＜1.00)
[0014] 当混合气过量空气系数λ＜1.00时，氢氧气电子控制单元16判定缸内混合气为浓混合气，此时内燃机排放主要为由于不充分燃烧所导致的HC、CO及颗粒物排放，而NOx
排放量相对较少。因此，在λ＜1.00时，氢氧气电子控制单元16加大氧气修正喷射量，使氧气修正喷射脉宽在0ms至+1ms之间变化，且随过量空气系数的降低而增加；同时，在λ＜1.00时，氢氧气电子控制单元16降低氢气修正喷射量，使氢气修正喷射脉宽在0ms至-1ms之间变化，且随过量空气系数的降低而减小。
[0015] 2)理论混合气(λ＝1.00)
[0016] 当混合气过量空气系数λ＝1.00时，氢氧气电子控制单元16判定缸内混合气为理论混合气，此时氢气和氧气的实际喷射量仅由基本喷射量决定。
[0017] 3)稀混合气(λ＞1.00)
[0018] 当混合气过量空气系数λ＞1.00时，氢氧气电子控制单元16判定缸内混合气为稀混合气，此时内燃机排放主要为由于富氧燃烧所导致的NOx排放，而HC、CO及颗粒物排放量相对较少。随过量空气系数的增加，缸内氧浓度提高，所以HC、CO及颗粒物排放均随λ增加而降低，少量的氧气就可以将上述三中排放充分转化成水和二氧化碳。因此，λ＞1.00时，氢氧气电子控制单元16通过发出信号g缩短氧气喷嘴6的开启时间，使氧气修正喷射量在0至-2ms内变化，且随过量空气系数的增加而减小。内燃机NOx排放与氧浓度和缸内温度同时相关，随过量空气系数的增加，缸内氧浓度提高，但燃料燃烧温度降低。因此，内燃机NOx排放的最大值出现在过量空气系数为1.10时。所以，在λ＞1.00时，氢气的修正喷射量又可以分为λ＝＜1.10和λ＞1.10两种情况。在λ＝＜1.10时，N0x排放随λ的升高而增加。因此，在λ＝＜1.10时，氢氧气电子控制单元16通过发出信号f延长氢气喷嘴7的开启时间，使氢气修正喷射量在+0至+1.5ms间变化，且随过量空气系数的增加而增加。在λ＞1.10，NOx排放随λ的升高而减少。因此，在λ＞1.10时，氢氧气电子控制单元16通过发出信号f逐渐缩短氢气喷嘴7的开启时间，使氢气的修正喷射脉宽在+1.5ms至-1ms间变化，且随过量空气系数的增加而减小。
[0019] 本发明的工作过程：制氢氧机1在发动机运行时将制得的氧气和氢气分别存储在储氢气存罐2和氧气储存罐3中。氢氧气电子控制单元16首先根据排气温度信号e决定是否喷氢、喷氧。当排气温度低于250℃时，氢氧气电子控制单元16发出控制信号g、f关闭氧气喷嘴6和氢气喷嘴7。当排气温度大于等于250℃时，氢氧气电子控制单元16首先根据从原机电子控制单元15获得的转速信号b及空气流量信号c，以及从宽域氧传感器获得的混合气过量空气系数信号d计算基本氢气和氧气喷射量。同时，氢氧气电子控制单元16根据混合气过量空气系数信号d确定氢气和氧气的修正喷射量。当λ＜1.00时，氢氧气电子控制单元16加大氧气修正喷射量，并降低氢气修正喷射量；在λ＝1.00时，氢气和氧气修正喷射量为零；在1.00＜λ＝＜1.10时，氢气修正喷射量随λ增加而提高，氧气修正喷射量随λ增加而降低；在1.10＜λ时，氢气和氧气的修正喷射量均随λ增加而降低。在任一发动机工况下，氢氧气电子控制单元16根据计算得到的氢气和氧气的基本喷射量和修正喷射量发出控制信号g、f调整氧气喷嘴6和氢气喷嘴7的开启时间，从而调整氧气和氢气的喷射量。
[0020] 本发明的有益效果是，针对目前内燃机尾气处理装置成本高、寿命短，汽油机三元催化器工作范围窄的问题，提出利用车载制氢机制取氢、氧气，并利用贱金属铜基和镍基催化剂处理汽油机和柴油机运行过程中所产生的HC、CO、NOx和颗粒物等主要有害排放。催化剂达到起燃温度后，根据内燃机进气量确定氢气和氧气的
基础喷射量，并根据混合气过量空气系数确定氢气和氧气的修正喷射量，使整套尾气催化转化系统可以在任意内燃机负荷和混合气过量空气系数条件下有效地将HC、CO、NOx和颗粒物排放转化为水、氮气和二氧化碳。采用贱金属铜基和镍基催化剂也消除了传统三元催化转化器及选择性催化转化器中铂、铑、钯等贵金属的使用，从而使本系统的使用成本大大降低。利用车载制氢机随车制取氢气和氧气也解决了氢氧气的随车储运和加注问题，从而使本装置成为种改善内燃机排放性能的有效技术手段。
附图说明
[0021] 图1本发明的结构和工作原理图
[0022] 1.制氢氧机；2.氢气储存罐；3.氧气储存罐；4.氢气管路阻燃阀；5.氧气管路阻燃阀；6.氧气喷嘴；7.氢气喷嘴；8.还原催化器；9.氧化催化器；10.内燃机排气管；11.宽域氧传感器；12.排气温度传感器；13.内燃机；14.内燃机进气管；15.原机电子控制单元；16.氢氧气电子控制单元a.原机传感器信号；b.转速信号；c.空气流量信号；d.混合气过量空气系数信号；e.排气温度信号；f.氢气喷嘴控制信号；g.氧气喷嘴控制信号具体实施方式
[0023]
实施例在汽油和柴油两种内燃机不同的工作条件下进行了如下实验：
[0024] 实验所用发动机为直列四缸2.4升高压共轨直喷柴油机和直列四缸1.6L进气道喷射汽油机，两台内燃机均按照图1所示进行改造，安装随车制取氢、氧气降低内燃机排放的装置。该系统包括内燃机13以及安装在原内燃机13上的内燃机进气管14和内燃机排气管10，还原催化器8和氧化催化剂9依次通过法兰安装在内燃机排气管10上，在还原催化器8和氧化催化剂9上分别通过法兰安装氢气喷嘴7和氧气喷嘴6，氢气喷嘴7和氧气喷嘴6还分别通过不锈钢管路与氢气管路阻燃阀4、氢气储存罐2、氧气管路阻燃阀5及氧气储存罐3相连接，氢气储存罐2和氧气储存罐3分别通过不锈钢管路与制氢氧机1相连接，排气温度传感器12和宽域氧传感器11分别通过
螺纹安装在内燃机排气管10上，原机电子控制单元15通过屏蔽电缆与原机传感器相连接，并获得原机传感器信号a，原机电子控制单元15通过屏蔽电缆与氢氧气电子控制单元16相连，并向氢氧气电子控制单元16发出转速信号b及空气流量信号c，氢氧气电子控制单元16通过屏蔽电缆与排气温度传感器12和宽域氧传感器11分别相连接，并获得排气温度信号e及混合气过量空气系数信号d，氢氧气电子控制单元16还通过屏蔽电缆与氢气喷嘴7和氧气喷嘴6，并发出氢气喷嘴控制信号f和氧气喷嘴控制信号g。
[0025] 柴油机实验用油为市售0#柴油，汽油机实验采用市售93#汽油，氢气和氧气由车用制氢氧机提供。还原催化器8和氧化催化剂9中使用铜基催化剂。使用Horiba-7100DEGR型排放仪测量各实验工况下催化前和催化后的HC、CO及NOx排放，使用AVL Di-smoke4000烟度计测量柴油机催化前后的颗粒排放变化。为充分验证该发明的效果，柴油机和汽油机实验均不同的负荷和过量空气系数条件下进行。实验所选择的转速为城市道路条件下内燃机典型转速1400r/min。由于在排气道温度低于250℃时催化剂不起燃，因此全部实验在排气道温度高于250℃时进行。
[0026] 在实施例中各个参数参照发明内容叙述的范围选取，具体实施方式如下：
[0027] 实施例1：柴油机实验，其排气道温度为320℃。
[0028] 实验在内燃机1400r/min，转矩为50Nm、100Nm和150Nm条件下进行，三种不同转矩条件下发动机的过量空气系数依次为5.21、3.17和1.96。
[0029] 在转矩为50Nm，过量空气系数为5.21时，氢氧气电子控制单元16根据从原机电子控制单元15获得的转速信号b、空气流量信号c，以及从宽域氧传感器获得的混合气过量空气系数信号d，计算得到氢气和氧气每循环基本喷射脉宽为+2.08ms及+1.36ms，修正喷射脉宽分别为-0.8ms及-1.22ms，因此，在该工况下氢氧气电子控制单元16发出控制信号g、f调整氢气喷嘴7和氧气喷嘴6每循环开启时间分别为+1.28ms和+0.14ms，利用排放分析仪测得内燃机尾气处理前HC、CO及NOx分别为467ppm，108ppm，41ppm，不透光烟度为18.7％；经过催化系统处理后HC、CO及NOx分别为7ppm，6ppm，3ppm，不透光烟度为1.2％。
[0030] 在转矩为100Nm，过量空气系数为3.17时，氢氧气电子控制单元16根据从原机电子控制单元15获得的转速信号b、空气流量信号c，以及从宽域氧传感器获得的混合气过量空气系数信号d，计算得到氢气和氧气每循环基本喷射脉宽为+4.17ms及+2.71ms，修正喷射脉宽分别为-0.2ms及+-0.74ms，因此，在该工况下氢氧气电子控制单元16发出控制信号g、f调整氢气喷嘴7和氧气喷嘴6每循环开启时间分别为+3.97ms和+1.97ms，利用排放分析仪测得内燃机尾气处理前HC、CO及NOx分别为543ppm，147ppm，96ppm，不透光烟度为19.2％；经过催化系统处理后HC、CO及NOx分别为6ppm，6ppm，4ppm，不透光烟度为1.4％。
[0031] 在转矩为150Nm，过量空气系数为1.96时，氢氧气电子控制单元16根据从原机电子控制单元15获得的转速信号b、空气流量信号c，以及从宽域氧传感器获得的混合气过量空气系数信号d，计算得到氢气和氧气每循环基本喷射脉宽为+6.25ms及+4.06ms，修正喷射脉宽分别为+0.62ms及-0.46ms，因此，在该工况下氢氧气电子控制单元16发出控制信号g、f调整氢气喷嘴7和氧气喷嘴6每循环开启时间分别为+6.87ms和+3.6ms，利用排放分析仪测得内燃机尾气处理前HC、CO及NOx分别为591ppm，177ppm，159ppm，不透光烟度为20.1％；经过催化系统处理后HC、CO及NOx分别为7ppm，5ppm，8ppm，不透光烟度为1.5％。
[0032] 实施例2：汽油机实验，其排气道温度353℃。
[0033] 汽油机实验首先在
发动机转速为1400r/min，转矩为60Nm的条件下验证本装置在不同过量空气系数条件下对汽油机排放的改善效果。在该转速和转矩下，混合气过量空气系数分别调整为功率混合气所对应的过量空气系数λ＝0.85，理论混合气所对应的过量空气系数λ＝1.00和经济混合气所对应的过量空气系数λ＝1.15。在过量空气系数为0.85时，氢氧气电子控制单元16根据从原机电子控制单元15获得的转速信号b、空气流量信号c，以及从宽域氧传感器获得的混合气过量空气系数信号d，计算得到氢气和氧气每循环基本喷射脉宽为+4.09ms及+2.66ms，修正喷射脉宽分别为-0.85ms及+0.85ms，因此，在该工况下氢氧气电子控制单元16发出控制信号g、f调整氢气喷嘴7和氧气喷嘴6每循环开启时间分别为+3.24ms和+3.51ms，利用排放分析仪测得内燃机尾气处理前HC、CO及NOx分别为736ppm，361ppm，36ppm，不透光烟度为3.7％；经过催化系统处理后HC、CO及NOx分别为8ppm，8ppm，1ppm，不透光烟度为1.9％。
[0034] 在过量空气系数为1.00时，氢氧气电子控制单元16根据从原机电子控制单元15获得的转速信号b、空气流量信号c，以及从宽域氧传感器获得的混合气过量空气系数信号d，计算得到氢气和氧气每循环基本喷射脉宽为+4.09ms及+2.66ms，氢气和氧气的修正喷射脉宽均为0ms，因此，在该工况下氢氧气电子控制单元16发出控制信号g、f调整氢气喷嘴7和氧气喷嘴6每循环开启时间分别为+4.09ms及+2.66ms，利用排放分析仪测得内燃机尾气处理前HC、CO及NOx分别为421ppm，125ppm，57ppm，不透光烟度为2.1％；经过催化系统处理后HC、CO及NOx分别为5ppm，4ppm，3ppm，不透光烟度为0.9％。
[0035] 在过量空气系数为1.15时，氢氧气电子控制单元16根据从原机电子控制单元15获得的转速信号b、空气流量信号c，以及从宽域氧传感器获得的混合气过量空气系数信号d，计算得到氢气和氧气每循环基本喷射脉宽为+4.09ms及+2.66ms，修正喷射脉宽分别为+0.80ms及-1.10ms，因此，在该工况下氢氧气电子控制单元16发出控制信号g、f调整氢气喷嘴7和氧气喷嘴6每循环开启时间分别为4.89ms和1.56ms，利用排放分析仪测得内燃机尾气处理前HC、CO及NOx分别为124ppm，51ppm，72ppm，不透光烟度为1.6％；经过催化系统处理后HC、CO及NOx分别为2ppm，1ppm，5ppm，不透光烟度为0.3％。
[0036] 之后，在理论过量空气系数λ＝1.00的条件下验证该发明装置对汽油机不同负荷条件下排放物改善作用。实验在转速为1400r/min，过量空气系数为1.00，转矩分别为30Nm和90Nm的条件下进行。在转矩为30Nm的条件下，氢氧气电子控制单元16根据从原机电子控制单元15获得的转速信号b、空气流量信号c，以及从宽域氧传感器获得的混合气过量空气系数信号d，计算得到氢气和氧气每循环基本喷射脉宽为+2.05ms及+1.33ms，修正喷射脉宽分均为0ms，因此，在该工况下氢氧气电子控制单元16发出控制信号g、f调整氢气喷嘴7和氧气喷嘴6每循环开启时间分别为+2.05ms及+1.33ms，利用排放分析仪测得内燃机尾气处理前HC、CO及NOx分别为477ppm，140ppm，51ppm，不透光烟度为1.8％；经过催化系统处理后HC、CO及NOx分别为5ppm，6ppm，1ppm，不透光烟度为0.5％。
[0037] 在转矩为90Nm的条件下，氢氧气电子控制单元16根据从原机电子控制单元15获得的转速信号b、空气流量信号c，以及从宽域氧传感器获得的混合气过量空气系数信号d，计算得到氢气和氧气每循环基本喷射脉宽为+2.05ms及+1.33ms，修正喷射脉宽分均为0ms，因此，在该工况下氢氧气电子控制单元16发出控制信号g、f调整氢气喷嘴7和氧气喷嘴6每循环开启时间分别为+2.05ms及+1.33ms，利用排放分析仪测得内燃机尾气处理前HC、CO及NOx分别为376ppm，103ppm，79ppm，不透光烟度为2.6％；经过催化系统处理后HC、CO及NOx分别为3ppm，3ppm，2ppm，不透光烟度为0.7％。这主要是因为在铜基催化剂的催化作用下，氧气能够快速将柴油机排放中的HC、CO和颗粒物氧化为水和二氧化碳，同时，氢气也可以有效地将NOx还原为氮气和水。由于二氧化碳化学结构稳定，且氢气在还原催化器8中发生还原NOx反应时的温度和压力较低，所以在还原反应中二氧化碳不会被氢气还原，重新生成CO等有害排放物质。
[0038] 上述的内燃机台架实验结果表明，采用本发明提供的一种基于车载制氢氧机的内燃机排放控制装置及方法，可以在不同工况下对汽油机和柴油机两种典型内燃机运行时所产生的HC、CO、NOx及颗粒物排放起到显著的改善作用。由于系统中采用制氢氧机随车制取氢气和氧气，解决了氢气和氧气随车储运的问题，同时贱金属催化剂的使用也降低了传统三元催化器和选择性催化器中贵金属的使用量，使该技术为内燃机达到欧五排放标准提供了低成本的有益技术路线。
