CN217152080U - 一种氢气发动机排气后处理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种氢气发动机排气后处理系统，包括排气催化装置和氢气供给装置，所述排气催化装置用于转化排气中的碳氢化合物HC、一氧化碳CO和氮氧化物NO_X，所述氢气供给装置用于给排气催化装置内供给氢气；所述排气催化装置包括依次连接的三元催化器、第一散热排气管、散热消声器、第二散热排气管和H₂‑DeNO_X催化器，所述三元催化器的进口与氢气发动机的排气管出口连接，所述H₂‑DeNO_X催化器安装在远离氢气发动机排气管出口位置处，且H₂‑DeNO_X催化器的出口直接与大气连通。能使发动机排气中的碳氢化合物HC、一氧化碳CO和氮氧化物NO_X排放降低到近零水平，即小于10ppm。

Description

一种氢气发动机排气后处理系统

技术领域

本实用新型属于汽车发动机技术领域，具体涉及一种氢气发动机排气后处理系统。

背景技术

氢气的点火能量低，稀薄燃烧能力强，燃烧范围宽，火焰传播速度快，是理想的发动机燃料。氢气燃烧后的产物只有水，但氢气发动机工作时会产生少量的碳氢化合物HC、一氧化碳CO(由少量的机油燃烧产生)和一定量的氮氧化物NO_X(主要与过量空气系数相关)。如果氮氧化物NO_X排放量较高，就需要催化器进行转换。目前，降低发动机排气中氮氧化物NO_X主要采用三元催化器和SCR催化器(Selective Catalytic Reduction，SCR)，三元催化器主要用于过量空气系数约等于1的发动机(排气中有一定量的一氧化碳CO),SCR催化器主要用于过量空气系数大于1的发动机(排气中的一氧化碳CO很少或者没有，例如柴油机)。在柴油机上使用SCR催化器，需要1个箱体储存尿素(NH₂)₂CO水溶液(尿素浓度为32.5％)，然后用泵将尿素水溶液泵出，再用喷射器将尿素水溶液喷射在SCR催化器入口前的排气管路内。尿素受热后变成氨气NH₃和二氧化碳，氨气NH₃和发动机排气混合后一起流入SCR催化器。在SCR催化器中，氮氧化物NO_X与氨气NH₃发生化学反应生成氮气和水，见如下化学反应式(1)。

4NH₃+4NO+O₂→4N₂+6H₂O (1)

但SCR催化器有缺点，一是在低温条件下，尿素容易结晶堵塞管路；二是喷射的尿素过多，产生过多的氨气NH₃，有一部分氨气没有反应直接从SCR催化器流出，对环境产生污染(氨气是有毒气体)。为避免发生这种情况，通常需要在SCR催化器后加装1个氨逃逸催化器ASC(Ammonia Slip Catalyst，ASC)，这样后处理系统就变得很复杂，还会增加生产成本；三是箱体内的尿素水溶液用完后需要充装。

许多催化器要在较高的温度下才有较高的转换效率，例如三元催化器要在500℃～600℃之间有较高的转换效率。这样就需要将催化器安装在发动机排气管出口位置或者靠近出口位置的地方，减少排气管的散热，提高催化器入口处排气的温度。但是在H₂-DeNO_X催化器中，氢气H₂要在较低的温度下才可能与NO_X发生化学反应。

实用新型内容

本实用新型拟提供一种氢气发动机排气后处理系统，能使发动机排气中的碳氢化合物HC、一氧化碳CO和氮氧化物NO_X排放降低到近零水平，即小于10ppm。

为此，本实用新型所采用的技术方案为：一种氢气发动机排气后处理系统，包括排气催化装置和氢气供给装置，所述排气催化装置用于转化排气中的碳氢化合物HC、一氧化碳CO和氮氧化物NO_X，所述氢气供给装置用于给排气催化装置内供给氢气；所述排气催化装置包括依次连接的三元催化器、第一散热排气管、散热消声器、第二散热排气管和H₂-DeNO_X催化器，所述三元催化器的进口与氢气发动机的排气管出口连接，所述H₂-DeNO_X催化器安装在远离氢气发动机排气管出口位置处，且H₂-DeNO_X催化器的出口直接与大气连通。

作为上述方案中的优选，所述第一散热排气管、散热消声器、第二散热排气管外设置有散热片，且散热片的布置方向与排气在排气催化装置内流动方向一致。

进一步优选，所述排气催化装置内排气的流动方向与汽车前行的方向一致。

进一步优选，所述氢气供给装置包括依次通过管路连接的氢气瓶、压力调节器、氢气喷嘴和氢气喷管，所述氢气瓶和压力调节器之间通过高压管路连接，所述压力调节器、氢气喷嘴和氢气喷管之间通过低压管路连接，所述氢气喷管安装在第二散热排气管上，用于氢气与发动机排气的混合。

进一步优选，所述第二散热排气管上设置有用于检测排气温度的排气温度传感器和用于测量排气中氮氧化物浓度的氮氧化物传感器，所述排气温度传感器、氮氧化物传感器和氢气喷嘴均与控制器电连接，当排气中氮氧化物浓度高于一定值且排气温度在规定范围内时，控制器控制氢气喷嘴喷射出定量的氢气。

进一步优选，所述氢气喷管采用多孔氢气喷管，且氢气喷管喷出的氢气与第二散热排气管内排气流动方向垂直。

进一步优选，所述压力调节器后通过并联的低压管路与发动机氢气轨连通。

本实用新型的有益效果：

1)通过前置安装的三元催化器和后置安装的H₂-DeNO_X催化器组成对排气中碳氢化合物HC、一氧化碳CO和氮氧化物NO_X进行转换，能将稀薄燃烧时氢气发动机中碳氢化合物HC、一氧化碳CO和氮氧化物NO_X的排放降低到近零水平，即小于10ppm；

2)与柴油机的SCR催化器相比，采用H₂-DeNO_X催化器不会出现在低温换环境下尿素结晶堵塞管路的现象，也不会出现喷射尿素过多，与排气一起排放到大气中，产生二次污染；

3)与SCR催化器相比，不需要配置尿素箱和尿素泵，H₂-DeNO_X催化器与氢气发动机共用氢气瓶内的氢气，结构简化，成本低，同时也不需要单独充装还原剂；

4)通过汽车行驶时的空气流，配合散热排气管和散热消声器，降低H₂-DeNO_X催化器入口处的排气温度，不需要消耗额外的能量。

附图说明

图1为本实用新型的示意图(图中箭头指示方向为气体的流向)。

图2为本实用新型中第一散热排气管或第二散热排气管横截面的示意图。

图3为本实用新型中散热消声器横截面的示意图。

图4为本实用新型中氢气喷管末端的示意图(图中箭头指示方向为气体的流向)。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图，对本实用新型作进一步说明：

如图1-图4所示，一种氢气发动机排气后处理系统，主要由排气催化装置和氢气供给装置组成，其中排气催化装置用于转化排气中的碳氢化合物HC、一氧化碳CO和氮氧化物NO_X，氢气供给装置用于给排气催化装置内供给氢气。

排气催化装置的具体结构包括依次连接的三元催化器1、第一散热排气管2、散热消声器3和第二散热排气管4和H₂-DeNO_X催化器5，其中三元催化器1的进口与氢气发动机的排气管出口连接，H₂-DeNO_X催化器5安装在远离氢气发动机排气管出口位置处，且H₂-DeNO_X催化器5的出口直接与大气连通。三元催化器1用于转换排气中的碳氢化合物HC、一氧化碳CO和氮氧化物NO_X，第一散热排气管2和第二散热排气管4用于输送排气和降低排气温度，散热消声器3用于降低排气噪声和排气温度，H₂-DeNO_X催化器采用氢气来转换排气中的氮氧化物NO_X。

为增加散热效果，在第一散热排气管2、散热消声器3、第二散热排气管4外表面上设置有散热片，且散热片的布置方向与排气在排气催化装置内流动方向一致，如图2和图3所示。对于采用氢气发动机的汽车，最好是，排气催化装置内排气的流动方向与汽车前行的方向一致，使排气能利用汽车行驶时的空气流进行散热，从而能有效降低排气温度。

氢气供给装置的具体结构包括依次通过管路连接的氢气瓶6、压力调节器7、氢气喷嘴8和氢气喷管9，氢气瓶6和压力调节器7之间通过高压管路连接，压力调节器7、氢气喷嘴8和氢气喷管9之间通过低压管路连接，且压力调节器7后通过并联的低压管路与发动机氢气轨连通，用作发动机的燃料，使得H₂-DeNO_X催化器与氢气发动机共用氢气瓶内的氢气，从而简化结构，降低成本。氢气瓶6用于储存高压氢气，压力调节器7用于将高压氢气减压到需要的低压，氢气喷嘴8用于控制氢气的流量，氢气喷管9安装在第二散热排气管4上，用于氢气与发动机排气的混合。

在第二散热排气管4上设置有用于检测排气温度的排气温度传感器11和用于测量排气中氮氧化物浓度的氮氧化物传感器12，且排气温度传感器11、氮氧化物传感器12和氢气喷嘴8均与控制器10电连接，控制器用于接收排气温度传感器11和氮氧化物传感器12传递的信号并控制氢气喷嘴8的喷射，当排气中氮氧化物浓度高于一定值且排气温度在规定范围内时，控制器10控制氢气喷嘴8喷射出定量的氢气。

氢气喷管9采用多孔氢气喷管，即氢气喷管9的末端封闭，侧面设置有两排对称分布的小孔，如图4所示，从小孔喷出的氢气流向与第二散热排气管4内排气流动方向垂直，方便与排气混合均匀。

本实用新型适用于采用稀薄燃烧的氢气发动机。由于采用稀薄燃烧，氢气发动机排气中只有极少的碳氢化合物HC和一氧化碳CO(例如10ppm,由少量的机油燃烧产生)和较少的NO_X排放。

当氢气发动机工作时，排气先进入三元催化器1内，在三元催化器1内，由于排气温度相对较高，碳氢化合物HC和一氧化碳CO被转换为二氧化碳和水，见化学反应式(2)和(3)：

2CO+O₂→2CO₂ (2)

HC+O₂→CO₂+H₂O (3)

在进行上述的反应后，如果还剩余部分一氧化碳CO和氮氧化物NO_X也可能在三元催化器1中被转换为氮气N₂，见化学反应式(4)：

2CO+2NO→2CO₂+N₂ (4)

从三元催化器1流出的排气，碳氢化合物HC和一氧化碳CO接近于零，但还有一定的氮氧化物NO_X排放。

排气从三元催化器1流出后，依次流过第一散热排气管2、散热消声器3和第二散热排气管4，通过管路表面和散热片散热，降低排气温度。由于散热片的方向与排气流动方向一致，同时排气的流动方向与汽车前行的方向一致，当汽车以一定的车速向前行驶时，例如30km/h，大约30km/h的空气流吹拂第一散热排气管2、散热消声器3和第二散热排气管4的外表面，实现强制对流换热，将排气中的热量带走，降低排气温度。当排气到达氢气喷管9的位置时，排气温度能下降到200℃以下，其能达到H₂-DeNO_X催化器5对氮氧化物NO_X的高效转换温度。

控制器10接收排气温度传感器11和氮氧化物传感器12的信号，测量排气温度和NO_X的浓度，判断是否需要喷射氢气。当排气中氮氧化物NO_X的浓度较高且排气温度在规定范围内时，氢气喷嘴8就需要喷射出定量的氢气。

从氢气瓶6流出的高压氢气经压力调节器7减压后变成低压氢气。低压氢气分成两路，其中一路连接到发动机氢气轨上，用作发动机的燃料，另一路连接到氢气喷嘴8上，用于NO_X的还原剂。控制器10计算出需要喷射的氢气量，并控制氢气喷嘴8的喷射脉宽(时间)和频率，使其喷射适量的氢气。从氢气喷嘴8流出的氢气流入氢气喷管9内，然后从氢气喷管9两侧的小孔喷出与排气混合，氢气和排气充分混合后进入H₂-DeNO_X催化器5，在H₂-DeNO_X催化器5内，由于排气温度在适当的范围内(120℃-200℃)，氮氧化物NO_X与氢气反应产生氮气和水，见反应式(5)：

2H₂+2NO→N₂+2H₂O (5)

假设H₂-DeNO_X催化器5进气口中氮氧化物NO_X的浓度为50ppm，H₂-DeNO_X催化器5的转换效率为80％，则H₂-DeNO_X催化器5出口处的氮氧化物NO_X的浓度为10ppm。这样，通过三元催化器1和H₂-DeNO_X催化器5的共同作用，就将采用稀薄燃烧氢气发动机排气中的碳氢化合物HC、一氧化碳CO和氮氧化物NO_X排放控制到近零水平。

Claims (7)

1.一种氢气发动机排气后处理系统，其特征在于：包括排气催化装置和氢气供给装置，所述排气催化装置用于转化排气中的碳氢化合物、一氧化碳和氮氧化物，所述氢气供给装置用于给排气催化装置内供给氢气；

所述排气催化装置包括依次连接的三元催化器(1)、第一散热排气管(2)、散热消声器(3)、第二散热排气管(4)和H₂-DeNO_X催化器(5)，所述三元催化器(1)的进口与氢气发动机的排气管出口连接，所述H₂-DeNO_X催化器(5)安装在远离氢气发动机排气管出口位置处，且H₂-DeNO_X催化器(5)的出口直接与大气连通。

2.根据权利要求1中所述的氢气发动机排气后处理系统，其特征在于：所述第一散热排气管(2)、散热消声器(3)、第二散热排气管(4)外设置有散热片，且散热片的布置方向与排气在排气催化装置内流动方向一致。

3.根据权利要求1或2中所述的氢气发动机排气后处理系统，其特征在于：所述排气催化装置内排气的流动方向与汽车前行的方向一致。

4.根据权利要求1中所述的氢气发动机排气后处理系统，其特征在于：所述氢气供给装置包括依次通过管路连接的氢气瓶(6)、压力调节器(7)、氢气喷嘴(8)和氢气喷管(9)，所述氢气瓶(6)和压力调节器(7)之间通过高压管路连接，所述压力调节器(7)、氢气喷嘴(8)和氢气喷管(9)之间通过低压管路连接，所述氢气喷管(9)安装在第二散热排气管(4)上，用于氢气与发动机排气的混合。

5.根据权利要求4中所述的氢气发动机排气后处理系统，其特征在于：所述第二散热排气管(4)上设置有用于检测排气温度的排气温度传感器(11)和用于测量排气中氮氧化物浓度的氮氧化物传感器(12)，所述排气温度传感器(11)、氮氧化物传感器(12)和氢气喷嘴(8)均与控制器(10)电连接，当排气中氮氧化物浓度高于一定值且排气温度在规定范围内时，控制器(10)控制氢气喷嘴(8)喷射出定量的氢气。

6.根据权利要求4中所述的氢气发动机排气后处理系统，其特征在于：所述氢气喷管(9)采用多孔氢气喷管，且氢气喷管(9)喷出的氢气与第二散热排气管(4)内排气流动方向垂直。

7.根据权利要求4中所述的氢气发动机排气后处理系统，其特征在于：所述压力调节器(7)后通过并联的低压管路与发动机氢气轨连通。

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