CN101424230B

CN101424230B - 热排气再循环控制氢内燃机排放的装置

Info

Publication number: CN101424230B
Application number: CN2008101832353A
Authority: CN
Inventors: 孙柏刚; 刘福水; 孙大伟
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2008-12-12
Filing date: 2008-12-12
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2028-12-12
Also published as: CN101424230A

Abstract

本发明涉及一种热排气再循环控制氢内燃机排放的装置。发动机控制单元实时接收曲轴、凸轮轴、油门的位置传感器信号，并计算转速、发火气缸及负荷，查表获得混合气浓度初始值，并利用氧传感器反馈修正得到最终混合气浓度。若混合气浓度小于0.5，则不开启排气再循环阀，节气门依旧保持在全开的位置。当混合气浓度大于0.5时，排气再循环阀迅速开启至最大位置，同时减小节气门开启角度以减少进入的空气量。随着负荷增大，喷氢量逐渐增加，节气门回到全开位置，排气再循环阀也逐渐减小开度，始终使混合气浓度等于或浓于化学计量比。排气流过三元催化器时，废气中多余的氢气和氮氧化物发生氧化还原反应，进一步降低排放。

Description

热排气再循环控制氢内燃机排放的装置

技术领域

本发明涉及一种氢气发动机的排放控制系统，具体来说，涉及用热废气再循环装置，降低氢内燃机的氮氧化物排放。

背景技术

随着排放法规的日益严格和石油燃料减少带来的压力，内燃机研究人员一直在寻找清洁的、可循环利用的替代燃料。此外由于全球变暖问题越来越受到关注，减少二氧化碳等温室气体排放成为各国的共识。近年来国际上广泛开展了对氢内燃机的研究工作。

以氢为燃料的内燃机，其完全燃烧的产物是水，完全不产生二氧化碳排放，也没有传统石油燃料所产生的CO、HC和碳烟等污染物，其唯一的排放物为高温燃烧下所产生的氮氧化物(NOx)。

氢内燃机的NOx排放与其混合气的浓度密切相关。试验表明在当量燃空比小于0.5的情况下，氮氧化物(NOx)排放极低，可以利用稀薄燃烧来降低NOx排放，但会使氢内燃机的功率密度下降；在当量燃空比超过0.5后，NOx排放量迅速上升，约在0.8～0.9之间达到峰值；此后随着当量燃空比增加，NOx排放量开始下降。当到达理论燃空比时，经过三元催化器催化后的NOx排放极其微少。在氢内燃机开发中要尽可能避免工作在混合气当量燃空比为0.5～1的区间内，必然带来运行参数及功率输出的不连续，控制系统变得十分复杂。如何使氢内燃机使用高浓度的混合气运行而又不增加NOx排放一直是研究人员致力解决的问题。

排气再循环(Exhaust Gas Recirculation，EGR)是传统内燃机中解决NOx排放的有效手段，采用EGR后增大了缸内气体的比热容，减小了燃烧速度，从而降低了燃烧温度，减少了NOx排放，这一技术获得了较多的应用。但在氢内燃机中，燃烧产物中没有CO₂，主要燃烧产物为水与未燃氮气，无法利用再循环排气的热惰性作用。

在传统内燃机中，采用排气再循环技术一般需要对再循环排气进行中冷，以达到更好的降低NOx排放的效果。但在氢内燃机中，经过冷却的再循环排气造成水的大量冷凝，不但排水会带来问题，也使得发动机系统复杂，还会导致更严重的零部件腐蚀与机油变质。

上述两方面可以看出，氢内燃机中EGR作用机理与传统内燃机不同。

因此设计出一种使用热EGR控制排放与调节负荷的装置，既可以规避因传统EGR冷却所带来的问题，又能连续调节功率输出，简化控制系统，满足氢内燃机全工况稳定运转要求，同时又能够实现氢内燃机全工况的低NOx排放，将具有重大实用价值。

发明内容

本发明的目的是要提供一套解决氢内燃机使用高浓度混合气时高NOx排放的装置。

为了实现本发明的上述目的，提出了一种热排气再循环控制氢内燃机排放的装置，包括：安装于进气管上的节气门；从排气管引出并且与进气管连通的排气再循环管路；设置在排气再循环管路上的排气再循环阀，用于控制再循环废气的流量，以及发动机控制单元，该发动机控制单元根据氢内燃机的负荷控制节气门和排气再循环阀的操作，其中当氢内燃机的当前负荷达到额定负荷的50％时，该控制单元启动排气再循环阀打开同时控制节气门减小节气门开度，从而使氢内燃机的混合气浓度的当量燃空比从小于0.5的值快速达到或者浓于化学计量比。

在本发明中，排气再循环管路中的再循环废气未经过中冷器直接进入进气系统。

优选的是，当氢内燃机的当前负荷小于额定负荷的50％时，该控制单元控制EGR阀不工作。

优选的是，当氢内燃机的当前负荷超过额定负荷的50％时，该控制单元控制EGR阀以一定的速率打开并且同时该控制单元控制节气门使节气门开度从完全打开迅速减小到一预定开度值α，以及在当前负荷达到额定负荷的60％时，该控制单元控制EGR阀完全打开并且同时控制节气门从该预定开度值α逐渐回到完全打开，使得在当前负荷超过额定负荷的50％达到额定负荷的60％期间混合气的当量燃空比等于或浓于化学计量比。

优选的是，当氢内燃机的当前负荷超过额定负荷的60％时，随着负荷的进一步增大，该控制单元控制EGR阀使得EGR阀开度逐步减小，当负荷达到额定负荷的100％时，EGR阀完全关闭。

优选的是，EGR阀由比例电磁阀和阀位置传感器构成。

优选的是，混合气的浓度由发动机控制单元根据发动机转速和负荷来初步确定，再根据氧传感器反馈的排气氧浓度来修正计算。一组EGR管路将发动机排出的废气引入进气管。EGR管路的气体入口位于三元催化器后、消音器前的排气总管上；气体出口位于进气管集气腔节气门后。

有益效果

采用发明使用热排气再循环来控制排放，既可以规避因EGR冷却所带来的问题，又能连续调节功率输出，简化控制系统，满足氢内燃机全工况稳定运转要求，同时又能够实现氢内燃机全工况的低NOx排放。

附图说明

图1为氢内燃机排气再循环系统结构组成及原理。

图2为氢内燃机混合气浓度变化规律。

图3为排气再循环阀开度随着氢内燃机负荷的变动规律。

图4为节气门开度随着氢内燃机负荷的变动规律。

图中：1.电子节气门及节气门位置传感器，2.电控排气再循环阀及阀位置传感器(EGR)，3.排气再循环管路，4.排气氧传感器，5.三元催化器，6.曲轴位置传感器，7.凸轮轴位置传感器，8.油门位置传感器，9.发动机控制单元(ECU)。

具体实施方式

如图1所示，根据本发明的一个优选实施例的氢内燃机热排气再循环系统包括：安装于进气管上的电子节气门1，位于气缸盖上的凸轮轴位置传感器7和位于机体上的曲轴位置传感器6，安装于排气管集气腔上的排气氧浓度传感器4，与排气管相连接的三元催化器5，从排气总管引出的排气再循环管路3，在连接排气与进气的再循环管路3上安装了电控EGR阀2来控制再循环废气的流量，油门位置传感器8提供驾驶员需求信号，发动机控制单元9。

排气再循环管路3将发动机排出的废气引入进气管。排气再循环管路3的气体入口位于三元催化器5后、消音器前的排气总管上；气体出口位于进气管集气腔节气门后。

曲轴位置和凸轮轴位置传感器6和7向ECU提供发动机转速和各缸工作状态信号。氧传感器4安装于催化器5前端，向ECU提供排气中氧浓度信号。油门位置传感器8用于向ECU反映发动机的负荷状态。

发动机控制单元接收曲轴、凸轮轴位置传感器，油门位置传感器和氧传感器的信号，判断发动机的工作状态，并驱动排气再循环阀2和电子节气门1按照设定的策略动作。

电控排气再循环阀2由比例电磁铁和位置传感器组成。通过接收ECU传来的信号控制电磁阀的开度，位置传感器则向ECU发送电磁阀当前位置的反馈信号。

电子节气门1由步进电机和位置传感器组成。步进电机按照ECU发出的指令带动蝶阀运动到相应的角度，位置传感器则向ECU反馈当前蝶阀的位置信号。

三元催化器5的基体材料由陶瓷粉末烧结而成，上面覆盖有贵金属铂和钯的混合物。高温废气中的氢气通过贵金属的催化与NOx发生反应，氢气被氧化成水，而NOx被还原为氮气。

整个系统的工作过程为：当发动机运转时，ECU根据曲轴和凸轮轴位置传感器发送的信号判断发动机的当前转速，根据油门位置传感器判断发动机的负荷。得到转速和负荷后，由事先存储在内存中转速与负荷的二维映射图表查询出当前需要的喷氢量。此工况下对应的当量燃空比通过对发动机进行标定可以得到，但由于实际工作过程中瞬态工况下进气的波动，还需根据氧传感器反馈的氧浓度计算出修正量才能够得到准确的当量燃空比，并作为控制排气再循环阀动作的输入量之一，实现此工作过程的、带热排气再循环系统的氢内燃机混合气浓度变化范围如图2所示。

当发动机负荷小于20％时，随着负荷的增加，喷氢量逐渐增加，同时节气门开度随之增大，使得混合气当量燃空比始终保持Φ2左右。当发动机负荷处于20％时，节气门完全打开，如图4所示。随着发动机负荷的进一步增加，喷氢量继续增大，节气门开度保持不变，则混合气当量燃空比继续增大。当发动机负荷达到50％后，此时的当量燃空比大约Φ3左右。若负荷进一步增大，喷氢量也随之增加，则混合气当量燃空比超过Φ3，NOx排放会迅速增加到不可接受的排放水平。那么此时就需要采用EGR来抑止NOx排放。

由前文所述，当混合气当量燃空比在0.5～1的区间内，NOx排放会十分严重。因此当负荷超过50％后，混合气当量燃空比超过0.5，为避开运行在排放糟糕的区间，同时由于混合气达到化学计量比之后，NOx排放会迅速下降，三元催化器也开始起效还原NOx。使得最终排放的NOx进一步降低，故需使得混合气当量燃空比迅速达到化学计量比。在负荷略超过50％时进行排气再循环使混合气处于化学计量比，则需要很大的排气再循环流量，同时也对排气再循环阀的响应提出了比较高的要求。为了能控制混合气迅速达到化学计量比，需要节气门1和排气再循环阀2同时运动。

为此，在负荷略超过50％后排气再循环阀以一定的速度打开，负荷达到60％时排气再循环阀全部打开。这样的开启策略使得排气再循环废气的引入不会造成扭矩太大的波动。节气门在负荷略超过50％后迅速减小到开度α，减少进入的新鲜空气，一方面使得混合气当量燃空比增加，另一方面使得进排气压差增大，排气再循环废气能够迅速、足够的进入到进气管中，提高了控制的响应性。节气门开度α(如图4所示)通过试验进行标定，需保证在此开度下，通过减少新鲜空气量和引入排气再循环气体，使得混合气当量燃空比为化学计量比。之后节气门随着负荷的增大，喷氢量的增加，排气再循环阀开度的增加而逐步打开，当负荷达到60％后，节气门处于全开状态。节气门开度的增加配合排气再循环阀开度的增加进行，使得混合气始终保持在当量燃空比附近，避免了新鲜空气过分减少导致的未燃氢增加。

负荷超过60％后，此时混合气当量燃空比的控制完全由排气再循环阀的开度来进行。随着喷氢量继续增加，氢气完全燃烧所需的空气量也逐步增大，排气再循环阀随着负荷的增大以一定的速率关闭，以减少进入的排气再循环废气，维持混合气处于化学计量比状态。当负荷处于100％时，不需进行排气再循环混合气也将处于化学计量比状态，因此排气再循环阀完全关闭。

在上述负荷变化范围中，节气门、排气再循环阀的开启、关闭变化规律如图3、4所示。

整个系统的控制策略为：

(1)怠速与极小负荷(0-10％)：节气门、排气再循环阀关闭，调整喷氢量使得混合气浓度逐步增加，从最低运行浓度Φ1至经济运行浓度Φ2；

(2)小负荷(10-20％)：节气门开度增加至100％，通过调整喷氢量，使氢内燃机维持经济运行浓度Φ2，此时NOx排放很低，EGR阀关闭；

(3)中等负荷(20-50％)：通过调整喷氢量，使氢内燃机负荷增加，但控制当量燃空比小于Φ3，此时NOx排放很低，EGR阀关闭；

(4)高中负荷(50-60％)：排气再循环阀逐步打开，在负荷达到60％时完全打开；与此同时，节气门开度迅速减小到开度α，使得此时的混合气快速达到Φ4(化学计量比或稍浓)状态，之后随着负荷的增大而逐步增大开度，当负荷为60％时节气门完全打开。排气再循环阀、节气门、氢气喷嘴联动保证在此负荷变化期间混合气浓度的快速切换；

(5)大负荷(60-100％)：随着负荷的进一步增大，排气再循环阀开度逐步减小，适当增加喷氢，维持在Φ4浓度，利用催化器进一步降低NOx，当负荷达到100％时，排气再循环阀完全关闭。

下面，参照图2，结合图3和图4来说明具体的控制过程：

在发动机工作过程中，发动机控制单元(ECU)9实时接收曲轴位置传感器6和凸轮轴位置传感器7发送的信号，并计算出当前发动机的转速和发火气缸。油门位置传感器8感受油门踏板的位置从而反映出驾驶员对于动力的需求，并向ECU传递信号。ECU接收油门位置传感器8的信号后计算出发动机的负荷，并查询事先设定好的映射表格得到对应的混合气浓度，利用氧传感器4反馈回的氧浓度进行修正后得到浓度的最终值。若发动机负荷小于50％(即混合气浓度低于Φ3＝0.5，参见图2)，则不开启排气再循环阀2，节气门1依旧保持在全开的位置。如图2和图3所示，当发动机负荷超过50％且混合气浓度大于0.5(即混合气浓度大于Φ3＝0.5，参见图2)时，排气再循环阀2按照一定的速率开启，当发动机负荷为60％时达到最大位置，同时为了保证混合气迅速达到化学计量比，在发动机负荷基本上等于50％时节气门1减小开度至α以减少进入的空气量，开度α经过标定，使得此工况下的混合气处于化学计量比附近，即混合气浓度为Φ4，如图2所述，Φ4为化学计量比。随着负荷的超过50％进一步增大，喷氢量逐渐增加，则节气门1在负荷达到60％时回到全开的位置，如图4所示。当负荷超过60％后，随喷氢量的增加排气再循环阀2也逐渐减小开度，如图3所示，始终使混合气浓度等于或浓于化学计量比Φ4。排气流过三元催化器5时，废气中多余的氢气和氮氧化物发生氧化还原反应，氢气被氧化成水，氮氧化物被还原为氮气。

尽管结合上述优选实施例来描述了本发明，但是应该知道，本发明不局限于所公开的实施例，控制NOx排放生成的临界混合气浓度Φ3、以及节气门开度α需要根据不同的发动机类型进行精确的标定，本发明还可以覆盖各种改进和落入本发明要求保护的精神实质和范围内的等同布置。

Claims

1.一种热排气再循环控制氢内燃机排放的装置，其特征在于：包括安装于进气管上的节气门；从排气管引出并且与进气管连通的排气再循环管路；设置在排气再循环管路上的排气再循环阀，用于控制再循环废气的流量，以及发动机控制单元，该发动机控制单元根据氢内燃机的负荷控制节气门和排气再循环阀的操作，其中当氢内燃机的当前负荷达到额定负荷的50％时，该控制单元启动排气再循环阀打开同时控制节气门减小节气门开度，从而使氢内燃机的混合气浓度的当量燃空比从小于0.5的值快速达到或者浓于化学计量比。

2.根据权利要求1所述的热排气再循环控制氢内燃机排放的装置，其特征在于，排气再循环管路与进气系统直接相连，即排气再循环管路中的再循环废气直接进入进气系统。

3.根据权利要求1所述的热排气再循环控制氢内燃机排放的装置，其特征在于，当氢内燃机的当前负荷小于额定负荷的50％并且氢内燃机的混合气浓度的当量燃空比小于0.5时，该控制单元控制排气再循环阀保持关闭。

4.根据权利要求1-3之一所述的热排气再循环控制氢内燃机排放的装置，其特征在于，当氢内燃机的当前负荷超过额定负荷的50％时，该控制单元控制排气再循环阀打开并且同时该控制单元控制节气门使节气门开度从完全打开迅速减小到预定开度值α，以及在当前负荷达到额定负荷的60％时，该控制单元控制排气再循环阀完全打开并且同时控制节气门从该预定开度值α逐渐回到完全打开，使得在当前负荷超过额定负荷的50％达到额定负荷的60％期间混合气的当量燃空比等于或浓于化学计量比。

5.根据权利要求4所述的热排气再循环控制氢内燃机排放的装置，其特征在于：当氢内燃机的当前负荷超过额定负荷的60％时，随着负荷的进一步增大，该控制单元控制排气再循环阀使得排气再循环阀开度逐步减小，当负荷达到额定负荷的100％时，排气再循环阀完全关闭。

6.根据权利要求1所述的热排气再循环控制氢内燃机排放的装置，其特征在于，排气再循环阀由比例电磁阀和阀位置传感器构成。

7.根据权利要求1所述的热排气再循环控制氢内燃机排放的装置，其特征在于，混合气的浓度由发动机控制单元根据发动机转速和负荷来确定，再根据氧传感器反馈的排气氧浓度来修正计算。