CN102162389A - 一种基于重整气净化发动机尾气的装置及方法 - Google Patents

一种基于重整气净化发动机尾气的装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种基于重整气净化发动机尾气的的装置及方法，装置包括三部分：尾气流通单元：包括发动机、Pt基催化重整器、Cu基催化重整器；重整燃料供给单元：包括重整燃料箱、重整燃料泵、重整燃料流量控制电磁阀；电子控制单元：包括流量传感器、温度传感器、电子控制单元。本发明采用稀燃的控制策略。在稀燃条件下，发动机尾气中的O2充足，燃料燃烧后的产物起初要经过Pt基催化重整器，在Pt基催化剂的作用下，尾气中的HC和CO和O2反应。之后经过Cu基催化重整器，在Cu基催化剂的作用下，燃料发生水蒸气重整反应，生成主要包括H2和CO的富氢重整气，最终H2和CO与尾气中的NOx发生反应，从而达到了节能减排的目的。

Description

一种基于重整气净化发动机尾气的装置及方法
技术领域
本发明提供了一种基于重整气净化发动机尾气的装置及方法，主要利用了发动机稀燃条件下充足的O2，在Pt基催化剂的作用下，去除尾气中的HC和CO；另外，燃料重整反应生成的富氢重整气(主要包括H2和CO)，在Cu基催化剂的作用下，与尾气中的NOx发生反应，从而实现发动机尾气净化的目的。本发明具体涉及发动机尾气的逐级净化过程、重整燃料的供给、重整气的制备和应用。
背景技术
随着经济的快速发展和人们环保意识的不断增强，日益显著的能源危机和环境问题引起了社会的广泛关注。与此同时，汽车产业的不断发展壮大，一方面给我们的生活带来了便利，另一方面也对环境造成了不可逆转的影响。汽车发动机的主要有害排放物是HC、CO、NOx以及PM。其中HC所包含的烯烃与NOx结合会在日光紫外线的作用下形成具有很强毒性的“光化学烟雾”。CO与血红蛋白结合生成羟基血红蛋白，相对减少氧血红蛋白，相应损害血红蛋白对人体组织的供氧能力。NOx可以破坏人的呼吸系统，与血色素的亲和力很强，约为一氧化碳的数百倍至一千倍。它还是是酸雨、酸雾的主要污染物，与碳氢化合物会形成光化学烟雾。因此，许多科研工作者致力于净化发动机尾气的相关工作。
目前，车辆广泛采用涂覆有贵金属催化剂的三效催化转化器来处理尾气中的有害排放物，但是贵金属催化剂如钯Pd、铑Rh成本过高。而本发明则是通过逐级反应的方式净化发动机的尾气，首先在Pt基催化剂的作用下，一定温度条件下的尾气中含有HC和CO，他们被尾气中所含的O2氧化。之后尾气进入非贵金属Cu基催化剂器，重整反应产生的富氢重整气(主要包括H2和CO)同时被引入其中，NOx在一定温度和催化剂的作用下被H2和CO还原。由于发动机采用的是稀燃的控制策略，因此汽油的消耗量被降低，同时实现了发动机尾气的余热的利用，最终达到了净化发动机尾气的目的。
发明内容
本发明提供了一种基于重整气净化发动机尾气的装置及方法，本系统可以实现逐级净化发动机尾气。在稀燃条件下，发动机尾气中O2充足，HC和CO可以被充分氧化；发动机电子控制单元根据流入Cu基催化重整器的尾气流量及其温度，调节重整燃料的供给流量。重整燃料发生反应产生的富氢气(主要包括H2和CO)可以充分还原尾气中的NOx，最终实现发动机尾气净化的目的。
一种基于重整气净化发动机尾气的装置，主要包括发动机1、Pt基催化重整器2、Cu基催化重整器3、重整燃料箱4、重整燃料泵5、重整燃料流量控制电磁阀6、流量传感器7、温度传感器8、电子控制单元9。
本发明采用了如下技术方案：一种基于重整气净化发动机尾气的装置，该装置可分为三部分：a.尾气流通单元：发动机1、Pt基催化重整器2、Cu基催化重整器3依次相连，燃料进入发动机1，燃烧后的产物起初要经过Pt基催化重整器2，之后经过Cu基催化重整器3，最终进入大气；b.重整燃料供给单元：重整燃料箱4通过重整燃料泵5与Cu基催化重整器3相连，重整燃料泵5与Cu基催化重整器3还连接有重整燃料流量控制电磁阀6，重整燃料泵5将重整燃料箱4中的燃料泵入Cu基催化重整器3，其中重整燃料流量控制电磁阀6控制重整燃料的流量；c.电子控制单元：电子控制单元9分别与流量传感器7、温度传感器8、重整燃料泵5、重整燃料流量控制电磁阀6相连；电子控制单元9通过流量传感器7采集流入Cu基催化重整器3的尾气的流量信号，通过温度传感器8采集Cu基催化重整器3的温度信号，并分别控制重整燃料泵5以及重整燃料流量控制电磁阀6。
一种基于重整气净化发动机尾气的装置的控制方法，发动机尾气的净化是逐级进行的：当燃料进入发动机1后经过混合燃烧，主要生成排放污染物包括：HC、CO、NOx以及PM。他们经过Pt基催化重整器2时，在Pt基催化剂的作用下，HC、CO和O2反应生成了CO2和H2O。进一步，经过Cu基催化重整器3时，在Cu基催化剂的作用下，NOx和H2、CO反应生成了N2、CO2和H2O，最终进入大气的尾气主要包括N2、CO2和H2O。
一种基于重整气净化发动机尾气的装置及方法，采取了如下的控制方法，在重整燃料的供给过程中，发动机工作后，对于流入Cu基催化重整器3的不同尾气流量及其温度，采用不同的控制方法：
I)发动机的转速越高，进气量就越大，相应的排气量就越大，排气温度就越高。反之，排气量越小，排气温度越低。当电子控制单元9通过温度传感器8检测到Cu基催化重整器3的温度低于300℃，电子控制单元9通过流量传感器7检测到流入Cu基催化重整器3的尾气流量低于40Kg/h时，电子控制单元9切断重整燃料泵5的供电，同时闭合重整燃料流量控制电磁阀6，避免重整燃料进入Cu基催化重整器3；
II)当电子控制单元9通过温度传感器8检测到Cu基催化重整器3的温度处于300-450℃，电子控制单元9通过流量传感器7检测到流入Cu基催化重整器3的尾气流量处于40-80Kg/h之间时，电子控制单元9给重整燃料泵5供电，并调节重整燃料流量控制电磁阀6，控制其开度从闭合到满量程的1/3开度。随着Cu基催化重整器3温度的升高以及流入Cu基催化重整器3流量的加大，重整燃料流量控制电磁阀6的开度应逐渐加大；
III)当电子控制单元9通过温度传感器8检测到Cu基催化重整器3的温度处于450-600℃，电子控制单元9通过流量传感器7检测到流入Cu基催化重整器3的尾气流量处于80-120Kg/h之间时，电子控制单元9给重整燃料泵5供电，并调节重整燃料流量控制电磁阀6，控制其开度从满量程的1/3到满量程的2/3开度。随着Cu基催化重整器3温度的升高以及流入Cu基催化重整器3流量的加大，重整燃料流量控制电磁阀6的开度应逐渐加大；
IV)当电子控制单元9通过温度传感器8检测到Cu基催化重整器3的温度高于600℃，电子控制单元9通过流量传感器7检测到流入Cu基催化重整器3的尾气流量处于120-160Kg/h之间时，电子控制单元9给重整燃料泵5供电，并调节重整燃料流量控制电磁阀6，控制其开度从满量程的2/3直至全开。随着Cu基催化重整器3温度的升高以及流入Cu基催化重整器3流量的加大，重整燃料流量控制电磁阀6的开度应逐渐加大。
本发明的有益效果：发动机1不必按照当量控制汽油的喷油脉宽，而是通过加大节气门的开度，采用稀燃的控制策略。在稀燃条件下，O2比较充足，进而发动机1的尾气中O2含量也较高。尾气本身属于高温气体，在Pt基催化剂的作用下，尾气中的HC和CO被去除。重整燃料箱4中的燃料可以是甲醇、乙醇或其水溶液，在非贵金属Cu基催化剂的作用下，甲醇、乙醇或其水溶液发生重整反应，生成主要包括H2和CO的富氢重整气，最终H2和CO与尾气中的NOx发生反应，从而达到了净化发动机尾气的目的。
附图说明
图1本发明的结构和工作原理图。
图中1.发动机；2.Pt基催化重整器；3.Cu基催化重整器；4.重整燃料箱；5.重整燃料泵；6.重整燃料流量控制电磁阀；7.流量传感器；8.温度传感器；9.电子控制单元
具体实施方式
下面结合图1说明本实施方式。系统可分为三部分：a.尾气流通单元；b.重整燃料供给单元；c.电子控制单元。
a.尾气流通单元：发动机1、Pt基催化重整器2、Cu基催化重整器3依次相连，燃料进入发动机1，燃烧后的产物起初要经过Pt基催化重整器2，之后经过Cu基催化重整器3，最终进入大气；b.重整燃料供给单元：重整燃料箱4通过重整燃料泵5与Cu基催化重整器3相连，重整燃料泵5与Cu基催化重整器3还连接有重整燃料流量控制电磁阀6；重整燃料泵5将重整燃料箱4中的燃料泵入Cu基催化重整器3，其中重整燃料流量控制电磁阀6控制重整燃料的流量；c.电子控制单元：电子控制单元9分别与流量传感器7、温度传感器8、重整燃料泵5、重整燃料流量控制电磁阀6相连；电子控制单元9通过流量传感器7采集流入Cu基催化重整器3的尾气的流量信号，通过温度传感器8采集Cu基催化重整器3的温度信号，并分别控制重整燃料泵5以及重整燃料流量控制电磁阀6。
主要控制过程如下：首先燃料进入发动机1，燃烧后的产物起初要经过Pt基催化重整器2，在一定的温度和Pt基催化剂的作用下，HC和CO被去除。之后经过Cu基催化重整器3，在一定的温度和Cu基催化剂的作用下，NOx被去除，最终进入大气。重整燃料泵5将重整燃料箱4的燃料泵入Cu基催化重整器3，其中重整燃料流量控制电磁阀6控制重整燃料的流量。电子控制单元9通过流量传感器7采集流入Cu基催化重整器3的尾气的流量信号，通过温度传感器8采集Cu基催化重整器3的温度信号，并分别控制重整燃料泵5以及重整燃料流量控制电磁阀6，从而实现不同重整燃料的流量控制。
发动机尾气的净化是逐级进行的：当燃料进入发动机1后经过混合燃烧，主要生成的大气污染物包括：HC、CO、NOx以及PM。他们经过Pt基催化重整器2时，在Pt基催化剂的作用下，HC和CO从发动机尾气中被去除。进一步，经过Cu基催化重整器3，在Cu基催化剂的作用下，NOx从发动机尾气中被去除，最终的尾气主要包括N2、CO2和H2O，各排放污染物的含量得到了有效的降低。
在重整燃料的供给过程中，发动机工作后，不同工况条件下，转速和负荷也不同。通常低转速和负荷条件下，尾气的温度也较低，而高转速和负荷条件下，尾气的温度也较高。尾气温度较高时，Cu基催化重整器3中的催化剂才能发挥较高效能。因此对于流入Cu基催化重整器3的不同尾气流量，Cu基催化重整器3的不同温度，应该采用如下不同的控制方法：
I)当电子控制单元9通过温度传感器8检测到Cu基催化重整器3的温度低于300℃时，电子控制单元9通过流量传感器7检测到流入Cu基催化重整器3的尾气流量低于40Kg/h，由此表明发动机处于低转速和负荷工况。电子控制单元9切断重整燃料泵5的供电，同时闭合重整燃料流量控制电磁阀6，避免重整燃料进入Cu基催化重整器3。由于反应温度低，重整反应并不能产生足够的富氢重整气(主要包括H2和CO)，因此NOx不能被有效减少。但是从发动机1中排出的尾气进入Pt基催化重整器后，HC和CO会有部分减少。
II)当电子控制单元9通过温度传感器8检测到Cu基催化重整器3的温度处于300-450℃时，电子控制单元9通过流量传感器7检测到流入Cu基催化重整器3的尾气流量处于40-80Kg/h之间，由此表明发动机处于中低转速和负荷工况。电子控制单元9给重整燃料泵5供电，并调节重整燃料流量控制电磁阀6，控制其开度从闭合到满量程的1/3开度。随着流入Cu基催化重整器3尾气温度的升高及流量的加大，重整燃料流量控制电磁阀6的开度应逐渐加大。中低转速和负荷工况下，由于进入Cu基催化重整器3的尾气仍然不够高，因此，重整燃料的供给量也不能过大。
III)当电子控制单元9通过温度传感器8检测到Cu基催化重整器3的温度处于450-600℃时，电子控制单元9通过流量传感器7检测到流入Cu基催化重整器3的尾气流量处于80-120Kg/h之间，由此表明发动机处于中高转速和负荷工况。电子控制单元9给重整燃料泵5供电，并调节重整燃料流量控制电磁阀6，控制其开度从满量程的1/3到满量程的2/3开度。随着流入Cu基催化重整器3尾气温度的升高及流量的加大，重整燃料流量控制电磁阀6的开度应逐渐加大。随着转速和负荷的加大，发动机1产生的尾气温度也越来越高，Pt基催化重整器2和Cu基催化重整器3中的催化剂的活性也越来越高，发动机尾气的净化效果也越来越明显。
IV)当电子控制单元9通过温度传感器8检测到Cu基催化重整器3的温度高于600℃时，电子控制单元9通过流量传感器7检测到流入Cu基催化重整器3的尾气流量处于120-160Kg/h之间，由此表明发动机处于高转速和负荷工况。电子控制单元9给重整燃料泵5供电，并调节重整燃料流量控制电磁阀6，控制其开度从满量程的2/3直至全开。随着流入Cu基催化重整器3尾气温度的升高及流量的加大，重整燃料流量控制电磁阀6的开度应逐渐加大。高转速和负荷工况下，发动机1产生的尾气温度很高，因此Pt基催化重整器2中HC和CO的含量被有效降低，Cu基催化重整器3中的NOx也可以被有效转化。
发动机1不必按照当量控制汽油的喷油脉宽，而是通过加大节气门的开度，采用稀燃的控制策略。在稀燃条件下，O2比较充足，进而发动机1的尾气中O2含量也较高。尾气本身属于高温气体，在Pt基催化剂的作用下，HC、CO与O2发生反应生成CO2和H2O，从而达到减少HC和CO的目的。重整燃料箱4中的燃料可以是甲醇、乙醇或其水溶液，在非贵金属Cu基催化剂的作用下，甲醇、乙醇或其水溶液发生重整反应，生成富氢重整气(主要包括H2和CO)，H2、CO与NOx发生反应生成N2、H2O和CO2，最终进入Cu基催化重整器3的尾气中的NOx被去除。这样发动机的稀燃可以减少汽油的消耗，燃料重整可以充分利用尾气余热，最终还可以实现发动机尾气净化的目的。

Claims (4)

1.一种基于重整气净化发动机尾气的装置，包括发动机(1)、Pt基催化重整器(2)、Cu基催化重整器(3)、重整燃料箱(4)、重整燃料泵(5)、重整燃料流量控制电磁阀(6)、流量传感器(7)、温度传感器(8)、电子控制单元(9)；其特征在于：
装置分为三部分：a.尾气流通单元：发动机(1)、Pt基催化重整器(2)、Cu基催化重整器(3)依次相连，燃料进入发动机(1)，燃烧后的产物起初要经过Pt基催化重整器(2)，之后经过Cu基催化重整器(3)，最终进入大气；b.重整燃料供给单元：重整燃料箱(4)通过重整燃料泵(5)与Cu基催化重整器(3)相连，重整燃料泵(5)与Cu基催化重整器(3)还连接有重整燃料流量控制电磁阀(6)；重整燃料泵(5)将重整燃料箱(4)中的燃料泵入Cu基催化重整器(3)，其中重整燃料流量控制电磁阀(6)控制重整燃料的流量；c.电子控制单元：电子控制单元(9)分别与流量传感器(7)、温度传感器(8)、重整燃料泵(5)、重整燃料流量控制电磁阀(6)相连；电子控制单元(9)通过流量传感器(7)采集流入Cu基催化重整器(3)的尾气的流量信号，通过温度传感器(8)采集Cu基催化重整器(3)的温度信号，并分别控制重整燃料泵(5)以及重整燃料流量控制电磁阀(6)。
2.权利要求1所述的一种基于重整气净化发动机尾气的装置的控制方法，其特征在于：发动机尾气的净化是逐级进行的：燃料进入发动机(1)燃烧后，生成的排放污染物包括：HC、CO、NOx和PM。经过Pt基催化重整器(2)时，在Pt基催化剂的作用下，HC、CO和O2反应生成了CO2和H2O；经过Cu基催化重整器(3)时，在Cu基催化剂的作用下，NOx和H2、CO反应生成了N2、CO2和H2O，最终进入大气的尾气包括N2、CO2和H2O。
3.根据权利要求2所述的一种基于重整气净化发动机尾气的装置的控制方法，其特征在于：在重整燃料的供给过程中，发动机工作后，对于流入Cu基催化重整器(3)的尾气流量及温度，采用如下控制方法：
I)当电子控制单元(9)通过温度传感器(8)检测到Cu基催化重整器3的温度低于300℃，电子控制单元(9)通过流量传感器(7)检测到流入Cu基催化重整器(3)的尾气流量低于40Kg/h时，电子控制单元(9)切断重整燃料泵(5)的供电，同时闭合重整燃料流量控制电磁阀(6)，避免重整燃料进入Cu基催化重整器(3)；
II)当电子控制单元(9)通过温度传感器(8)检测到Cu基催化重整器(3)的温度处于300-450℃，电子控制单元(9)通过流量传感器(7)检测到流入Cu基催化重整器(3)的尾气流量处于40-80Kg/h之间时，电子控制单元(9)给重整燃料泵(5)供电，并调节重整燃料流量控制电磁阀(6)，控制其开度从闭合到满量程的1/3开度；随着Cu基催化重整器(3)温度在300-450℃之间升高以及流入Cu基催化重整器(3)流量在40-80Kg/h之间加大，重整燃料流量控制电磁阀(6)的开度从闭合到满量程的1/3开度；
III)当电子控制单元(9)通过温度传感器(8)检测到Cu基催化重整器(3)的温度处于450-600℃，电子控制单元(9)通过流量传感器(7)检测到流入Cu基催化重整器(3)的尾气流量处于80-120Kg/h之间时，电子控制单元(9)给重整燃料泵(5)供电，并调节重整燃料流量控制电磁阀(6)，控制其开度从满量程的1/3到满量程的2/3开度；随着Cu基催化重整器(3)温度在450-600℃之间升高以及流入Cu基催化重整器(3)流量在80-120Kg/h之间加大，重整燃料流量控制电磁阀(6)的开度从满量程的1/3开度加大到满量程的2/3开度；
IV)当电子控制单元(9)通过温度传感器(8)检测到Cu基催化重整器(3)的温度高于600℃，电子控制单元(9)通过流量传感器(7)检测到流入Cu基催化重整器(3)的尾气流量处于120-160Kg/h之间时，电子控制单元(9)给重整燃料泵(5)供电，并调节重整燃料流量控制电磁阀(6)，控制其开度从满量程的2/3直至全开。随着Cu基催化重整器(3)温度的升高以及流入Cu基催化重整器3流量在120-160Kg/h之间加大，重整燃料流量控制电磁阀(6)的开度由满量程的2/3加大至全开。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的一种基于重整气净化发动机尾气的方法，其特征在于：重整燃料箱(4)中的燃料可以是甲醇、或乙醇或其水溶液，在非贵金属Cu基催化剂的作用下，甲醇、乙醇或其水溶液发生重整反应，生成包括H2和CO的富氢重整气，最终H2和CO与尾气中的NOx发生反应，从而达到了净化发动机尾气的目的。
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