一种尾气后处理装置及尾气排放控制方法与流程

1.本发明涉及氢燃料车辆尾气处理技术领域，尤其涉及一种尾气后处理装置及尾气排放控制方法。


背景技术：

2.氢能是碳减排和碳中和的主要方向之一，在可再生能源利用战略中具有重要地位，直喷氢发动机是氢能利用的前沿技术，氢气发动机利用稀薄燃烧技术进行节能减排，稀薄燃烧技术可有效降低发动机燃烧过程中的爆震倾向，同时还能降低燃烧温度，提高发动机的热效率，但在直喷氢发动机的排放物中含有未燃烧完全的氢气、碳氢化合物、一氧化碳、碳氧化合物等，为了保证符合尾气排放法规要求，通常加装尾气后处理装置，尾气后处理装置包括doc装置和scr后处理装置，doc(diesel oxidation catalysts)即柴油氧化催化装置，可以将一氧化碳和碳氢化合物的排放量减少90％以上，scr(selective catalytic reduction)即选择性催化还原装置，可将氮氧化合物降低95％至99％，但现有scr后处理装置内的尿素喷射管路容易结晶堵塞，导致scr后处理装置缺少还原剂而催化效率下降甚至催化失效，导致无法及时对尾气中的氮氧化合物进行催化。
3.因此，亟需一种尾气后处理装置及尾气排放控制方法，以解决上述问题。


技术实现要素：

4.本发明的一个目的在于：提供一种尾气后处理装置及尾气排放控制方法，以对尾气中的氮氧化合物进行催化还原，减少尾气对环境的污染。
5.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
6.第一方面，提供一种尾气后处理装置，包括：
7.排气歧管，所述排气歧管的一端连接于氢发动机的排气口，所述排气歧管上设置有排气调节阀；
8.doc装置，所述排气歧管的另一端连接于所述doc装置，所述doc装置位于所述排气调节阀的下游；
9.scr装置，所述scr装置设置于所述doc装置的下游，所述scr装置连接有固体氨气存储装置；
10.消声器，所述消声器设置于所述scr装置的输出端；
11.ecu单元，所述ecu单元与所述排气调节阀、所述doc装置、所述scr装置、所述固体氨气存储装置以及所述消声器电连接。
12.作为一种可选的技术方案，所述排气歧管上还设置有涡轮增压器，所述涡轮增压器位于所述排气调节阀的上游。
13.第二方面，提供一种尾气排放控制方法，所述尾气排放控制方法用于控制氢发动机的尾气排放，所述尾气排放控制方法包括以下步骤：
14.s100、设定氢发动机的λ；
15.s200、建立氮氧化合物排放模型，通过所述氮氧化合物排放模型匹配计算固体氨气存储装置的氨气喷射脉宽；
16.s300、通过用于检测氮氧化合物的检测传感器进行闭环控制，并通过自学习控制器修正并记录所述固体氨气存储装置的氨气喷射量以及高压喷射系统的氢气喷射量；
17.s400、调节空燃比，使空燃比采用前次在闭环时存储于所述自学习控制器内的学习值。
18.作为一种可选的技术方案，所述步骤s200具体包括以下步骤：
19.s201、在所述氢发动机正常启动后，判断所述氢发动机的温度阈值t1是否不小于第一预设温度值，若是，则进行步骤s202，若否，则进行步骤s203；
20.s202、进入闭环控制；
21.s203、进入开环控制。
22.作为一种可选的技术方案，在所述步骤s202之后进行以下步骤：
23.s301、通过所述自学习控制器记录所述高压喷射系统的氢气喷射量。
24.作为一种可选的技术方案，在所述步骤s301之后进行以下步骤：
25.s401、调节空燃比，使空燃比采用在所述步骤s301中存储于所述自学习控制器内的学习值。
26.作为一种可选的技术方案，在所述步骤s202之后进行以下步骤：
27.s302、根据空气进气量，所述自学习控制器修正并记录所述高压喷射系统的氢气喷射量，使所述高压喷射系统喷射的氢气与空气混合形成混合气体。
28.作为一种可选的技术方案，在所述步骤s302中，若所述氢发动机处于低负荷状态，则所述高压喷射系统提前喷射氢气，使氢气与空气形成均质混合气体；若所述氢发动机处于中负荷状态，则所述高压喷射系统延迟喷射氢气，使氢气与空气形成分层混合气体；若所述氢发动机处于高负荷状态，则所述高压喷射系统多次喷射氢气，以供应充足的氢气。
29.作为一种可选的技术方案，在所述步骤s302之后进行以下步骤：
30.s402、调节空燃比，使空燃比采用在所述步骤s302中存储于所述自学习控制器内的学习值。
31.作为一种可选的技术方案，在所述步骤s203之后进行以下步骤：
32.s303、通过所述自学习控制器记录所述高压喷射系统的氢气喷射量。
33.作为一种可选的技术方案，在所述步骤s303之后进行以下步骤：
34.s403、调节空燃比，使空燃比采用前次在闭环时存储于所述自学习控制器内的学习值。
35.作为一种可选的技术方案，所述步骤300具体包括以下步骤：
36.s304、在所述氢发动机启动后，判断所述固体氨气存储装置的温度阈值t2是否大于第二预设温度值，若是，进行步骤s305，若否，则进行步骤s306；
37.s305、所述固体氨气存储装置加热至第一预设温度值，以使所述固体氨气存储装置内的八氨合氯化锶分解为氨合氯化锶和氨气；
38.s306、进入开环控制，使所述氢发动机增大负荷。
39.作为一种可选的技术方案，所述步骤300具体还包括以下步骤：
40.s307、若所述固体氨气存储装置的温度阈值t2大于第二预设温度值，则判断流过
所述scr装置的废气排放量m是否大于第一预设流量值，若是，则进行步骤s308，若否，则进行步骤s309；
41.s308、所述固体氨气存储装置加热至第二预设温度值，以使所述固体氨气存储装置内的氨合氯化锶分解为氯化锶和氨气；
42.s309、进入开环控制，使所述氢发动机增大负荷。
43.作为一种可选的技术方案，在所述步骤308之后还包括以下步骤：
44.s3081、氨气进入计量及喷射模块，实现在气体波动压力条件下的闭环控制。
45.作为一种可选的技术方案，在所述步骤308之后还包括以下步骤：
46.s3082、空燃比进入闭环控制，并通过所述自学习控制器进行自适应学习。
47.本发明的有益效果在于：
48.本发明提供一种尾气后处理装置及尾气排放控制方法，本发明的尾气后处理装置安装于氢发动机的排气口，氢气和空气在氢发动机内混合燃烧，产生的尾气经过尾气后处理装置处理后排出，以避免尾气中的有害物质污染空气；排气调节阀能够调节尾气在排气歧管中的流量；尾气在经过doc装置时，尾气中的一氧化碳和碳氢化合物被清除，尾气继续向下游流动并经过scr装置，固体氨气存储装置能够根据尾气的流量大小进行不同程度的加热，若尾气中的氮氧化合物较少，则固体氨气存储装置的加热温度较低，固态的八氨合氯化锶分解为氨合氯化锶和氨气，氨气通过喷射管路进入scr装置对尾气中的氮氧化合物进行催化，将氮氧化合物中的氮催化成为无害的氮气，由于氨气在常温时不会结晶固化，因此固体氨气存储装置与scr装置之间的喷射管路不会被堵塞，若尾气中的氮氧化合物较多，则固体氨气存储装置的加热温度较高，固态的八氨合氯化锶分解为氯化锶和氨气，产生的氨气也不会堵塞喷射管路，保证尾气的氮氧化合物的催化效率；催化还原后的尾气经过消声器消声并从scr装置的输出端排出，降低噪音。
附图说明
49.下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明；
50.图1为实施例所述的尾气后处理装置的结构布置图；
51.图2为实施例所述的尾气排放控制方法的流程图。
52.图中：
53.100、氢发动机；
54.1、排气歧管；2、排气调节阀；3、doc装置；4、scr装置；5、固体氨气存储装置；6、消声器；7、ecu单元；8、涡轮增压器。
具体实施方式
55.为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
56.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也
可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
57.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
58.于本文的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”，仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
59.在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。
60.下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
61.如图1所示，本实施例提供一种尾气后处理装置，该尾气后处理装置包括排气歧管1、doc装置3、scr装置4、消声器6以及ecu单元7，排气歧管1的一端连接于氢发动机100的排气口，排气歧管1上设置有排气调节阀2；排气歧管1的另一端连接于doc装置3，doc装置3位于排气调节阀2的下游；scr装置4设置于doc装置3的下游，scr装置4连接有固体氨气存储装置5；消声器6设置于scr装置4的输出端；ecu单元7与排气调节阀2、doc装置3、scr装置4、固体氨气存储装置5以及消声器6电连接。
62.具体的，ecu单元7为电子控制单元，即electronic control unit，又称为行车电脑或者车载电脑，由微控制器、存储器、输入/输出接口、模数转换器以及整形、驱动等大规模集成电路组成，为现有产品。
63.现有的scr后处理装置多采用尿素溶液作为催化剂，在一些低温环境中例如寒冷的冬季，尿素溶液会结晶而导致scr后处理装置无法及时有效的将氢发动机100排出的尾气中的氮氧化合物催化。由公知常识可知，尿素溶液在-11℃的环境中结冰。
64.具体的，本实施例的尾气后处理装置安装于氢发动机100的排气口，氢气和空气在氢发动机100内混合燃烧，产生的尾气经过尾气后处理装置处理后排出，以避免尾气中的有害物质污染空气；排气调节阀2能够调节尾气在排气歧管1中的流量；尾气在经过doc装置3时，尾气中的一氧化碳和碳氢化合物被清除，尾气继续向下游流动并经过scr装置4，固体氨气存储装置5能够根据尾气的流量大小进行不同程度的加热，若尾气中的氮氧化合物较少，则固体氨气存储装置5的加热温度较低，固态的八氨合氯化锶分解为氨合氯化锶和氨气，氨气通过喷射管路进入scr装置4对尾气中的氮氧化合物进行催化，将氮氧化合物中的氮催化成为无害的氮气，由于氨气在常温时不会结晶固化，因此固体氨气存储装置5与scr装置4之间的喷射管路不会被堵塞，若尾气中的氮氧化合物较多，则固体氨气存储装置5的加热温度较高，固态的八氨合氯化锶分解为氯化锶和氨气，产生的氨气也不会堵塞喷射管路，保证尾
气的氮氧化合物的催化效率；催化还原后的尾气经过消声器6消声并从scr装置4的输出端排出，降低噪音。
65.可选的，排气歧管1上还设置有涡轮增压器8，涡轮增压器8位于排气调节阀2的上游，涡轮增压器8用于增强尾气的流动压力。
66.氢气具有质量热值高、燃烧速度快、扩散性好、可燃浓度范围广等优点，适合作为氢发动机100的燃料，氢发动机100中的氮氧化合物主要来自于空气中的氮气和氧气在高温富氧环境下产生氧化反应，部分氮氧化合物在火焰前锋面中生成，氮氧化合物的生成量在稀混合气区主要和温度有关，即氢发动机100在不同的温度条件下产生的氮氧化合物的速率不同，而在浓混合气区中主要和氧气浓度有关，即氢发动机100吸入少量空气和吸入大量空气而产生的氮氧化合物的速率不同，因此，仅仅通过改进尾气后处理装置还不足以能够完全精准控制尾气的排放。
67.为了能够对尾气的污染物进行精准控制，本实施例还提供一种尾气排放控制方法，本实施例的尾气排放控制方法结合本实施例的尾气后处理装置控制氢发动机100的尾气排放，在氢发动机100的缸内通过高效燃烧控制净化气态排气污染物的基础上，结合本实施例的尾气后处理装置中的doc装置3处理残余氢气和一氧化碳，利用doc装置3中的氧化反应产生的热量流入scr装置4，对氮氧化合物进行的还原反应提供一定的辅助。
68.如图2所示，本实施例的尾气排放控制方法包括以下步骤。
69.s100、设定氢发动机100的λ。氢发动机100的λ是指燃烧1千克氢气燃料时，实际供应的空气质量和理论所需的空气质量之比，对λ大小产生影响的因素包括车辆的负荷，即车辆的负荷越大，氢发动机100的输出功率越高，需要吸入消耗的氧气越多。当氢发动机100的λ等于1或者接近于1时为氮氧化合物生成区，此时氢气在当量比下燃烧速度快，且水汽含量高，不利于热效率提升，通过稀燃烧工艺可降低氢发动机100的氮氧化合物的生产量，保证热效率，但需要的空气进气量大，氢发动机100排到排气歧管1的排气流量也增大，氮氧化合物的生产速率改变，即氮氧化合物的排放量提高，对尾气后处理装置的要求提升。氢发动机100的λ大于2.5时，此时氮氧化合物的排放小于0.1g/kwh，通过稀燃烧会使得氢发动机100在相同负荷条件下，未燃烧的氢气含量增加，因此，本实施例通过doc装置3氧化氢气和一氧化碳，并设置scr装置4，以保证氢发动机100良好的经济性和动力性。
70.s200、建立氮氧化合物排放模型，通过氮氧化合物排放模型匹配计算固体氨气存储装置5的氨气喷射脉宽。
71.s300、通过用于检测氮氧化合物的检测传感器进行闭环控制，并通过自学习控制器修正并记录固体氨气存储装置5的氨气喷射量以及高压喷射系统的氢气喷射量。
72.s400、调节空燃比，使空燃比采用前次在闭环时存储于自学习控制器内的学习值。
73.本实施例的尾气排放控制方法对氮氧化合物的产生来源进行控制，并对产生后的氮氧化合物进行催化还原。在设定氢发动机100的λ之后，建立氮氧化合物排放模型，并氮氧化合物排放模型匹配计算固体氨气存储装置5的氨气喷射脉宽，例如车辆在不同的路面行驶时，氢发动机100的输出功率不同，爬坡状态下，氢发动机100的输出功率大，需要吸入的氧气量大，在平面行驶状态下，氢发动机100的输出功率小，需要吸入的氧气量小，吸入不同的氧气量则氮氧化合物的排放量不同，因而需要的固体氨气存储装置5提供的氨气量也不同，因此，本实施例建立氢发动机100的氮氧化合物排放模型，根据该氮氧化合物排放模型
匹配适量的氨气，以将氮氧化合物完全还原，并避免氨气量供应过多，造成氨气逃逸。
74.由于车辆在行驶过程中会遇到上坡下坡或者提速减速等情况，因此，氢发动机100的输出功率会产生变化，氮氧化合物的排放量随之改变，氨气需要匹配氮氧化合物的变化，因此，本实施例通过检测传感器对氮氧化合物进行闭环控制，若氨气能够满足匹配氮氧化合物，则自学习控制器记录氢发动机100的λ、氮氧化合物的排放量以及氨气的排放量，即氢发动机100的λ、氮氧化合物的排放量以及氨气的排放量均为学习值，若氨气不能够满足匹配氮氧化合物，则进入开环控制，即自学习控制器记录氢发动机100的λ、氮氧化合物的排放量以及氨气的排放量，但空燃比仍然采用前次在闭环时存储于自学习控制器的学习值。空燃比为空气质量与燃料质量之比，在本实施例中，空燃比为空气质量与氢气质量之比。
75.可选的，步骤s200具体包括以下步骤。
76.s201、在氢发动机100正常启动后，判断氢发动机100的温度阈值t1是否不小于第一预设温度值，若是，则进行步骤s202，若否，则进行步骤s203。
77.s202、进入闭环控制。闭环控制是以ecu单元7内设定的λ为目标，在氢发动机100的运行过程中，使氢气的供应量满足设定的λ。
78.s203、进入开环控制。进入开环控制之后不进行信息反馈而进入下一步骤。
79.步骤s201的氢发动机100正常启动之前，启动氢发动机100，通过节气门体控制氢发动机100的空气进气量，并配合点火正时。点火正时是指氢发动机100的压缩冲程终了，活塞达到行程的顶点时，点火系统向火花塞提供高压火花以点燃缸内的压缩混合气体作功。
80.具体的，氢发动机100载体中心温度的最大值即为氢发动机100的温度阈值，氢发动机100的载体中心温度对氮氧化合物的生产量有重要影响，因此步骤s201需要判断氢发动机100的温度阈值是否不小于第一预设值，若是，则意味着氮氧化合物的生产量主要和温度有关，满足调整要求，即进入闭环控制，降低氮氧化合物的生产量，若否，则进入开环控制，并通过自学习控制器记录学习值，该学习值作为氮氧化合物氮排放模型的有效调节部分，氧化合物的生产量与温度无关，该学习值作为氮氧化合物排放模型的无效调节部分。
81.可选的，在步骤s202之后进行以下步骤：s301、通过自学习控制器记录高压喷射系统的氢气喷射量。
82.可选的，在步骤s301之后进行以下步骤：s401、调节空燃比，使空燃比采用在步骤s301中存储于自学习控制器内的学习值。
83.具体的，在步骤s202之后，将高压喷射系统的氢气喷射量视为氮氧化合物排放模型的有效调节部分，需要通过自学习控制器记录该学习值，针对该学习值调节空燃比，以使得在下一次遇到类似的情形时，高压喷射系统能够精准控制氢气的排放量。
84.可选的，在步骤s202之后进行以下步骤：s302、根据空气进气量，自学习控制器修正并记录高压喷射系统的氢气喷射量，使高压喷射系统喷射的氢气与空气混合形成混合气体。
85.可选的，在步骤s302中，若氢发动机100处于低负荷状态，则高压喷射系统提前喷射氢气，使氢气与空气形成均质混合气体；若氢发动机100处于中负荷状态，则高压喷射系统延迟喷射氢气，使氢气与空气形成分层混合气体；若氢发动机100处于高负荷状态，则高压喷射系统多次喷射氢气，以供应充足的氢气。
86.可选的，在步骤s302之后进行以下步骤：s402、调节空燃比，使空燃比采用在步骤
s302中存储于自学习控制器内的学习值。
87.可选的，在步骤s203之后进行以下步骤：s303、通过自学习控制器记录高压喷射系统的氢气喷射量。
88.可选的，在步骤s303之后进行以下步骤：s403、调节空燃比，使空燃比采用前次在闭环时存储于自学习控制器内的学习值。
89.可选的，步骤300具体包括以下步骤：s304、在氢发动机100启动后，判断固体氨气存储装置5的温度阈值t2是否大于第二预设温度值，若是，进行步骤s305，若否，则进行步骤s306。
90.s305、固体氨气存储装置5加热至第一预设温度值，以使固体氨气存储装置5内的八氨合氯化锶分解为氨合氯化锶和氨气。
91.s306、进入开环控制，使氢发动机100增大负荷。
92.具体的，固体氨气存储装置5的温度阈值t2大于第二预设温度值时，固体氨气存储装置5加热至60摄氏度，使固体氨气存储装置5内的八氨合氯化锶分解为氨合氯化锶和氨气，若固体氨气存储装置5的温度阈值t2小于第二预设温度值，则进入开环控制，车辆上的驾驶员踩下油门，使氢发动机100增大输出功率。
93.可选的，步骤300具体还包括以下步骤。
94.s307、若固体氨气存储装置5的温度阈值t2大于第二预设温度值，则判断流过scr装置4的废气排放量m是否大于第一预设流量值，若是，则进行步骤s308，若否，则进行步骤s309。
95.s308、固体氨气存储装置5加热至第二预设温度值，以使固体氨气存储装置5内的氨合氯化锶分解为氯化锶和氨气。
96.s309、进入开环控制，使氢发动机100增大负荷。
97.可选的，在步骤308之后还包括以下步骤：s3081、氨气进入计量及喷射模块，实现在气体波动压力条件下的闭环控制。
98.可选的，在步骤308之后还包括以下步骤：s3082、空燃比进入闭环控制，并通过自学习控制器进行自适应学习。
99.具体的，当固体氨气存储装置5的温度阈值t2大于第二预设温度值且废气排放量m大于第一预设流量值时，固体氨气存储装置5内的高压氨气进入计量及喷射模块，实现在波动压力条件下的闭环控制，以满足还原剂喷射精度要求。由于氢发动机100在不同路况产生的氮氧化合物不同，比如爬坡需要大功率则产生较多的氮氧化合物，下坡输出小功率则产生较少的氮氧化合物，因此造成气压波动，而相对氮氧化合物来说，固体氨气存储装置5供应的氨气有时过多，有时过少，氨气过多则逃逸到外界，造成污染以及浪费，氨气过少则无法完全将氮氧化合物还原。
100.本实施例的尾气排放控制方法在控制释放氨气时，不需要进行水解反应，可直接将氨气喷入scr装置4中，不存在尿素水溶液结晶问题，也不会在尾气后处理装置的排气管中产生沉积物，固体氨气存储装置5根据氮氧化合物排放模型将氨气直接喷射到scr装置4中与氮氧化合物发生反应，由于氨气的喷射量得到精准控制，降低scr装置4的起燃温度，同时解决氨气供应过多而导致的氨气逃逸问题，避免氨气对大气环境造成二次污染。
101.此外，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，
本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。