CN114961942A - 一种减少甲烷排放的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种减少甲烷排放的方法及装置。该方法包括：发动机在冷起动阶段，首先获得TWC的温度。然后当TWC温度低于预设温度阈值时，发动机进入天然气掺氢状态。接着根据发动机的转速和扭矩，确定掺氢比，进而确定氢气目标喷射量。最后利用氢气目标喷射量向发动机喷射氢气。如此，利用氢气的高燃烧效率和高燃烧速率，扩大混合气的稀燃极限，从而提高天然气掺氢的发动机的热效率，实现降低甲烷原排的目的。
Description
技术领域
本申请涉及发动机技术领域，特别是涉及一种减少甲烷排放的方法及装置。
背景技术
甲烷是一种比二氧化碳更容易造成温室效应的气体。为减少甲烷排放，出现了对天然气发动机的甲烷排放认证的手段。即通过冷态循环测试和热态循环测试的方式测试天然气发动机的甲烷排放量。其中，热态循环测试中三元催化器TWC温度较高，天然气燃烧充分，几乎没有甲烷排放。
然而在冷态循环开始阶段，尤其是冷起动阶段，由于缸内混合气体温度较低，使得天然气燃烧不充分，从而导致原机甲烷排放较高。可以在原机方面采用优化燃烧室、控制扫气等方式进行优化。然而由于缸内混合器及缸壁温度低，这使得天然气本身燃烧速率慢，燃烧不充分。因此，这些方式作用有限。
如何降低冷起动阶段甲烷排放是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本申请提供了一种减少甲烷排放的方法及装置，旨在降低天然气冷起动阶段甲烷的排放。
第一方面，本申请实施例提供了一种减少甲烷排放的方法，所述方法包括：
获取三元催化器TWC的温度；
响应于所述三元催化器TWC的温度低于预设温度阈值，确定所述发动机处于第一标定模式，所述第一标定模式用于表示发动机机处于天然气掺氢的状态；
根据第一预设参数确定掺氢比，所述掺氢比为氢气与天然气的体积比；所述第一预设参数为所述发动机的转速和扭矩，所述第一预设参数与所述第一标定模式相对应；
根据所述掺氢比和天然气的需求量，确定氢气目标喷射量；
根据所述氢气目标喷射量向所述发动机喷射氢气。
可选的，所述方法还包括：根据所述第一标定模式和所述氢气启动所述发动机。
可选的，所述根据所述第一标定模式和所述氢气启动所述发动机，包括：
根据所述第一预设参数确定第二预设参数，所述第二预设参数包括点火提前角和EGR率；
根据所述第一标定模式和所述氢气，采用所述第二预设参数启动所述发动机。
可选的，所述方法还包括：
响应于所述三元催化器TWC温度大于或等于预设温度阈值，确定所述发动机处于第二标定模式；所述第二标定模式用于表示所述发动机处于单燃料状态；所述单燃料为天然气；
根据所述第二标定模式和所述天然气，采用所述第二预设参数启动所述发动机。
可选的，所述根据所述氢气目标喷射量向所述发动机喷射氢气，包括：
根据所述氢气目标喷射量，通过多点喷射方法，向所述发动机喷射氢气；所述多点喷射方法与多点喷射装置对应；所述多点喷射装置包括多个喷氢阀。
第二方面，本申请实施例提供了一种减少甲烷排放的装置，所述方法包括：
温度获取单元，用于获取三元催化剂TWC的温度；
模式选择单元，用于响应于所述三元催化器TWC的温度低于预设温度阈值，确定所述发动机处于第一标定模式，所述第一标定模式用于表示所述发动机处于天然气掺氢的状态；
掺氢比确定单元，用于根据第一预设参数确定掺氢比，所述掺氢比为氢气与天然气的体积比；所述第一预设参数为所述发动机的转速和扭矩，所述第一预设参数与所述第一标定模式相对应；
喷射量确定单元，用于根据所述掺氢比和天然气的需求量，确定氢气目标喷射量；
喷射单元，用于根据所述氢气目标喷射量向所述发动机喷射氢气。
可选的，所述装置还包括：
启动单元，用于根据所述第一标定模式和所述氢气启动所述发动机。
可选的，所述启动单元，包括：
参数确定模块，用于根据所述第一预设参数确定第二预设参数，所述第二预设参数包括点火提前角和EGR率；
启动模块，用于根据所述第一标定模式和所述氢气，采用所述第二预设参数启动所述发动机。
可选的，所述模式选择单元还用于
响应于所述三元催化器TWC温度大于或等于预设温度阈值，确定所述发动机处于第二标定模式；所述第二标定模式用于表示所述发动机处于单燃料状态；所述单燃料为天然气。
第三方面，本申请实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有程序或代码，所述程序或代码被处理器执行时实现如前述第一方面所述减少甲烷排放的方法的步骤。
本申请实施例提供了一种减少甲烷排放的方法及装置。在执行所述方法时，发动机在冷起动阶段，首先获得TWC的温度。当TWC温度低于预设温度阈值时，发动机进入天然气掺氢状态。根据发动机的转速和扭矩，确定掺氢比，进而确定氢气目标喷射量。利用氢气目标喷射量向发动机喷射氢气。如此，利用氢气的高燃烧效率和高燃烧速率，扩大混合气的稀燃极限，从而提高天然气掺氢的发动机的热效率，进而降低甲烷原排。
附图说明
为更清楚地说明本实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种减少甲烷排放的方法流程图；
图2为本申请实施例提供的另一种减少甲烷排放的方法流程图；
图3申请实施例提供的一种减少甲烷排放的装置结构图。
具体实施方式
正如前文所述，导致天然气发动机在冷起动阶段甲烷排放高的主要原因是由于天然气燃烧不充分导致。而影响天然气燃烧不充分的主要原因在于冷起动阶段缸内混合气及缸壁的温度较低。在原机方面采用优化燃烧室、控制扫气等措施，都不能改变缸内温度。因此，也无法有效降低甲烷排放。
发明人发现：相对于天然气，在相同的温度条件下，氢气具有更高的燃烧下效率。因此，发明人提出利用天然气掺氢的方式替代天然气单燃料的冷起动方式。此外，发明人考虑到制备氢气成本问题，提出了当三元催化器TWC的温度在一定条件下才使用天然气掺氢的方式，其他条件不掺氢。如此在保证降低甲烷排放的前提下，进一步降低氢气需求量，降低成本。
本申请基于汽车发动机的电子控制单元ECU实现。ECU又被称为“行车电脑”、“车载电脑”等，根据内存的程序和数据对空气流量计及各种传感器输入的信息进行运算，处理、判断，然后输出相关指令。
图1为本申请实施例提供的一种减少甲烷排放的方法流程图。该方法应用在天然气冷起动阶段，至少包括以下步骤：
S101：获取三元催化器TWC的温度。
考虑到氢气制备成本，ECU首先获取三元催化器TWC的温度。其中TWC是一种降低天然气发动机甲烷排放的后处理装置。当TWC的温度较高时，TWC的转化效率较高，利用TWC的高转化效率，就可以使得天然气燃料充分燃烧，减少甲烷排放。而当TWC的温度较低时，TWC的转化效率低，需要降低原排甲烷，即利用天然气掺氢的方式。在本申请实施例中，可以通过在TWC后处理附近安装温度传感器，获得TWC的温度。
S102：响应于所述三元催化器TWC的温度低于预设温度阈值，确定所述发动机处于第一标定模式。
当获取TWC的温度之后，ECU需要判断TWC的温度是否低于预设温度阈值。如果低于预设温度阈值，ECU使发动机进入第一标定模式，即进入天然气掺氢状态。如此利用天然气掺氢的方式降低甲烷原排。
在本申请实施例中，预设温度阈值可以根据TWC转化效率随温度变化曲线及循环排放需求设定。即在预设温度阈值下，TWC转化效率较高且可以满足甲烷排放需求。比如当温度超过600K时，TWC具有较高的转化效率，且此时TWC转化效率可以使甲烷燃烧较充分，甲烷排放量少。如此，预设温度阈值可以预先设置为600K。
在本申请实施例中，ECU可以设置发动机有两种工作模式，即第一标定模式和第二标定模式。如上所述，第一标定模式为天然气掺氢状态。第二标定模式为天然气单燃料模式。在第二标定模式下，仅利用TWC中催化剂的高转化效率，使天然气燃料充分燃烧，达到甲烷原排降低的目的。具体的，当TWC的温度超过预设温度阈值时，发动机处于第二标定模式，利用TWC中催化剂的高转化效率进行工作；当TWC的温度低于预设温度阈值时，发动机处于第一标定模式，利用天然气掺氢方式降低甲烷原排。通过上述方式，可以实现在降低甲烷原排的同时，尽可能降低氢气的使用量，节约氢气成本。
S103：根据第一预设参数确定掺氢比。
当发动机处于第一标定模式时，首先需要确定掺氢比。掺氢比为氢气与天然气的体积比。比如，掺氢比为1:10，即氢气与天然气的体积比为1:10。10体积的天然气对应1体积的氢气。正常情况下，天然气流进发动机的体积流速是一个定值。根据体积比，可以计算出掺杂的氢气的体积量。
在本申请实施例中，可以根据第一预设参数确定掺氢比。第一预设参数与第一标定模式相对应。第一预设参数目的在于判断第一标定模式当前发动机的功耗运动到什么状态，以此来确定最优的掺氢比，使得甲烷充分燃烧。而判断发动机的功耗状态是由发动机当前的转速和扭矩来确定。即第一预设参数为发动机的转速和扭矩。
在本申请实施例中，根据第一预设参数确定掺氢比之外，还可以确定点火提前交、EGR率等参数。其中，掺氢比、点火提前角、EGR率等参数提前在发动机台架上离线标定好。当进入第一标定模式，识别出第一预设参数，发动机可以依据标定好的掺氢比、点火提前角、EGR率，进行掺氢和点火，从而而确保在保证甲烷原排降低的条件下，不发生回火和爆震等前提。
S104：根据所述掺氢比和天然气的需求量，确定氢气目标喷射量。
当ECU根据第一预设参数，获得掺氢比之后，就可以依据当前天然气的需求量，对应性确定氢气的目标喷射量。比如，当前天然气的需求量为1L/h，掺氢比为1:20，则当前氢气的目标喷射量则为50mL/h。
S105：根据所述氢气目标喷射量向发动机喷射氢气。
根据确定的氢气目标喷射量，向发动机喷射氢气。在本申请实施例中，考虑到响应速度问题，采用多点喷射方法进行氢气喷射。多点喷射方法的实现依赖于多点喷射装置。在本申请实施例中，多点喷射装置包括多个喷氢阀，还包括多个氢喷嘴、氢轨和氢源等。其中，喷氢阀用于控制氢气喷射的启动和关停，氢喷嘴则是喷射氢气的出口，氢轨则为输入氢气的管道。氢源则为提供氢气的装置。在本申请实施例中，氢源可以是氢气瓶，也可以使重整制氢装置或电解水制氢装置。其中，一个喷氢阀控制一个氢喷嘴进行喷射，喷氢阀由ECU控制。
示例性说明：比如需要50mL/h的氢气目标喷射量，一个喷氢阀控制的氢喷嘴为10mL/h，为了提高发动机响应性。ECU同时控制5个喷氢阀控制的氢喷嘴进行氢气喷射。
可选的，在本申请实施例中，向发动机喷射氢气后，根据第一标定模式和氢气就可以启动发动机。可选的，在启动之前，根据第一预设参数确定第二预设参数，即点火提前角和EGR率。即确定好点火角度和EGR率，如此在保证不发生回火和爆震的前提下，进行点火。
为了更形象的说明本申请实施例，下面进行示例性说明。
在TWC附近安装温度传感器，将温度传感器与ECU连接。ECU获取TWC的温度为450K。根据多次试验，获得TWC转化效率随温度变化曲线，结合循环排放的甲烷需求，确定预设温度阈值为600K。因为450K低于600K，发动机处于天然气掺氢模式。采取当前发动机转速和扭矩，假设为3200rpm，扭矩为185Nm。扭矩和转速的乘积则为当前发动机的功率为59.2kW。根据天然气在当前温度的燃烧效率以及氢气的燃烧效率，通过计算可以确定掺氢比为1:15。根据天然气的需求量为1500mL/h，则氢气的目标喷射量为100mL/h。采用多点喷射的方式进行氢气喷射，使得氢气的喷射量达到100mL/h。
在本申请实施例中，发动机在冷起动阶段，首先获得TWC的温度。当TWC温度低于预设温度阈值时，发动机进入天然气掺氢状态。根据发动机的转速和扭矩，确定掺氢比，进而确定氢气目标喷射量。利用氢气目标喷射量向发动机喷射氢气。如此，利用氢气的高燃烧效率和高燃烧速率，扩大混合气的稀燃极限，从而提高天然气掺氢的发动机的热效率，进而降低甲烷原排。
在本申请实施例中，关于减少甲烷排放的方法存在多种可能的实现方式，下面进行介绍。需要说明的是，下文介绍中给出的实现方式仅作为示例性说明，并不代表本申请实施例的全部实现方式。
图2为本申请实施例提供的另一种减少甲烷排放的方法流程图。该方法通过TWC的温度的闭环控制，智能切换天然气单燃料模式和天然气掺氢模式。根据图2可知，该方法至少包括以下几个步骤：
S201：前期准备。
关于前期准备至少包括以下方面：(1)在原有天然气发动机基础上，增加氢气多点喷射装置，包括喷氢阀、氢轨、氢喷嘴和氢源，氢源选择氢气瓶。(2)在TWC附近安装温度传感器，并将温度传感器与ECU连接。(3)在发动机台架上离线标定天然气掺氢比、EGR率和点火提前角等参数，获得天然气掺氢的标定为MAP1。原机天然气单燃料模式的标定为MAP0。然后将MAP1和MAP0数据输入至ECU中。(4)确定预设温度阈值T1，并将T1输入ECU中。其中T1是根据TWC的转化效率随温度变化的曲线以及循环排放需求进行设定的。
S202：ECU获取TWC的温度T，并判断T是否低于预设温度阈值T1。若是，进行步骤S203。否则，进行步骤S206。
S203：发动机切换到MAP1。ECU读取MAP1，并根据发动机当前转速和扭矩，确定MAP1模式下对应的掺氢比、点火提前角和EGR率。
S204：由掺氢比和天然气需求量，确定掺氢量，通过多点喷射方式进行氢气喷射。
S205：根据氢气和天然气混合燃料，结合点火提前角和EGR率点火启动发动机。
S206：发动机切换到MAP0。ECU读取MAP0，停喷氢气。并根据发动机当前转速和扭矩，确定MAP1模式下对应的点火提前角和EGR率。
S207：根据天然气燃料，结合点火提前角和EGR率点火启动发动机。
在本申请实施例中，通过TWC温度的闭环控制，灵活切换天然气单燃料模式和掺氢模式。当TWC温度较低时，由于未达到催化剂的高转化效率，使用掺氢的模式，降低原排。当TWC温度较高时，达到催化剂高转化效率，切换到天然气单燃料模式，通过TWC的催化剂的高转化效率，降低甲烷的排放。如此，实现甲烷排放的机内外协同控制，从而降低甲烷原排。更进一步的降低贵金属含量，降低成本。同时降低氢气使用量，进而减少氢源装置的体积。
此外，本申请实施例还提供了一种减少甲烷排放的装置。如图3所示，为本申请实施例提供的的减少甲烷排放的装置的结构框架图，应用于天然气冷起动阶段。装置300至少包括：
温度获取单元301，用于获取三元催化剂TWC的温度；
模式选择单元302，用于响应于三元催化器TWC的温度低于预设温度阈值，确定发动机处于第一标定模式，第一标定模式用于表示发动机机处于天然气掺氢的状态；
掺氢比确定单元303，用于根据第一预设参数确定掺氢比，掺氢比为氢气与天然气的体积比；第一预设参数为发动机的转速和扭矩，第一预设参数与第一标定模式相对应；
喷射量确定单元304，用于根据掺氢比和天然气的需求量，确定氢气目标喷射量；
喷射单元305，用于根据氢气目标喷射量向发动机喷射氢气。
可选的，装置300还包括：启动单元，用于根据第一标定模式和所述氢气启动发动机。
进一步的，启动单元包括：参数确定模块，用于根据第一预设参数确定第二预设参数，第二预设参数包括点火提前角和EGR率；
启动模块，用于根据第一标定模式和所述氢气，采用第二预设参数启动发动机。
可选的，模式选择单元还用于
响应于所述三元催化器TWC温度大于或等于预设温度阈值，确定发动机处于第二标定模式；第二标定模式用于表示发动机处于单燃料状态；所述单燃料为天然气。
在本申请实施例中，发动机在冷起动阶段，温度获取单元301获得TWC的温度。模式选择单元302用于当TWC温度低于预设温度阈值时，发动机进入天然气掺氢状态。掺氢比确定单元303，根据发动机的转速和扭矩，确定掺氢比。喷射量确定单元304，确定氢气目标喷射量。喷射单元305，利用氢气目标喷射量向发动机喷射氢气。如此，利用氢气的高燃烧效率和高燃烧速率，扩大混合气的稀燃极限，从而提高天然气掺氢的发动机的热效率，进而降低甲烷原排。
本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本申请实施例的减少甲烷排放的方法。
在实际应用中，所述计算机可读存储介质可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本实施例中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。
计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。
计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。
可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述仅是本申请示例性的实施方式，并非用于限定本申请的保护范围。
Claims (10)
1.一种减少甲烷排放的方法，应用于发动机冷起动阶段，其特征在于，所述方法包括：
获取三元催化器TWC的温度；
响应于所述三元催化器TWC的温度低于预设温度阈值，确定所述发动机处于第一标定模式，所述第一标定模式用于表示所述发动机处于天然气掺氢的状态；
根据第一预设参数确定掺氢比，所述掺氢比为氢气与天然气的体积比；所述第一预设参数为所述发动机的转速和扭矩，所述第一预设参数与所述第一标定模式相对应；
根据所述掺氢比和所述天然气的需求量，确定氢气目标喷射量；
根据所述氢气目标喷射量向所述发动机喷射所述氢气。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述方法还包括：根据所述第一标定模式和所述氢气启动所述发动机。
3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述根据所述第一标定模式和所述氢气启动所述发动机，包括：
根据所述第一预设参数确定第二预设参数，所述第二预设参数包括点火提前角和EGR率；
根据所述第一标定模式和所述氢气，采用所述第二预设参数启动所述发动机。
4.根据权利要求3所述方法，其特征在于，所述方法还包括：
响应于所述三元催化器TWC温度大于或等于预设温度阈值，确定所述发动机处于第二标定模式；所述第二标定模式用于表示所述发动机处于单燃料状态；所述单燃料为所述天然气；
根据所述第二标定模式和所述天然气，采用所述第二预设参数启动所述发动机。
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述根据所述氢气目标喷射量向所述发动机喷射氢气，包括：
根据所述氢气目标喷射量，通过多点喷射方法，向所述发动机喷射氢气；所述多点喷射方法与多点喷射装置对应；所述多点喷射装置包括多个喷氢阀。
6.一种减少甲烷排放的装置，应用于发动机冷起动阶段，其特征在于，所述装置包括：
温度获取单元，用于获取三元催化剂TWC的温度；
模式选择单元，用于响应于所述三元催化器TWC的温度低于预设温度阈值，确定所述发动机处于第一标定模式，所述第一标定模式用于表示所述发动机处于天然气掺氢的状态；
掺氢比确定单元，用于根据第一预设参数确定掺氢比，所述掺氢比为氢气与天然气的体积比；所述第一预设参数为所述发动机的转速和扭矩，所述第一预设参数与所述第一标定模式相对应；
喷射量确定单元，用于根据所述掺氢比和所述天然气的需求量，确定氢气目标喷射量；
喷射单元，用于根据所述氢气目标喷射量向所述发动机喷射氢气。
7.根据权利要求6所述装置，其特征在于，所述装置还包括：
启动单元，用于根据所述第一标定模式和所述氢气启动所述发动机。
8.根据权利要求7所述装置，其特征在于，所述启动单元，包括：
参数确定模块，用于根据所述第一预设参数确定第二预设参数，所述第二预设参数包括点火提前角和EGR率；
启动模块，用于根据所述第一标定模式和所述氢气，采用所述第二预设参数启动所述发动机。
9.根据权利要求6所述装置，其特征在于，所述模式选择单元还用于
响应于所述三元催化器TWC温度大于或等于预设温度阈值，确定所述发动机处于第二标定模式；所述第二标定模式用于表示所述发动机处于单燃料状态；所述单燃料为所述天然气。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有减少甲烷排放装置实现程序，所述减少甲烷排放装置实现程序被处理器执行时实现如权利要求1至5任一项所述减少甲烷排放的方法的步骤。
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