一种宽当量比氢内燃机用后处理装置及其控制方法

本发明涉及发动机领域，具体涉及一种宽当量比氢内燃机用后处理装置及其控制方法。

背景技术：

1、氢燃料内燃机在尾气排放方面具有传统化石燃料内燃机无可比拟的优点。它的主要排放物只有nox，包括一氧化氮(no)和二氧化氮(no2)。有研究指出涡轮增压氢燃料内燃机nox排放可达7000ppm。nox并非来自氢气(h2)本身，而是空气中的氮气(n2)在受高温作用与氧气(o2)氧化生成的产物。因此，与汽油机或柴油机类似，氢燃料内燃机生成nox排放的主要因素包括：缸内温度，富氧环境和高温持续时间。一般而言，较高燃烧室的温度、较长的高温持续时间和较高的o2浓度会促进nox排放的生成。

2、目前，控制氢燃料内燃机nox排放的主要手段有推迟点火角度、使用稀薄燃烧、egr技术和进气道喷水等策略的使用。有研究人员发现，推迟点火提前角能够在一定程度上降低nox排放量，但是无法避免热效率的下降，尤其在高速、大负荷工况下，点火提前角的推迟会降低内燃机的输出功率和扭矩，而且其降低nox的作用也十分有限。稀薄燃烧可以实现极低的nox排放，但难以满足较高动力输出的要求。在进气道喷水可以明显降低nox，但会降低燃烧速度，并带来润滑和磨损问题。因此，保证氢燃料内燃机动力性的同时达到近零排放就不得不引入降nox的后处理装置。

3、专利201810924790.0公开了一种适用于氢燃料内燃机的组合式后处理装置。通过组合的twc+scr装置实现对nox排放的控制，但是twc只在化学当量比(λ＝1)工况下实现高效减排，而化学当量比的氢内燃机动力性差。稀燃工况(λ＞1)下氢内燃机动力性能好，但是其尾气中o2含量高，使得twc对nox的转化效率大幅降低，所以该发明提供的twc+scr装置仅适用于化学当量比的氢内燃机，不能满足高动力性的稀燃氢内燃机的nox排放需求，实用性低。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能够实现当量比高瞬变、瞬变范围广的氢内燃机尾气中nox的持续高效减排，解决氢内燃机的nox排放高问题的宽当量比氢内燃机用后处理装置及其控制方法。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明提供了直列型twnsc+pscr和u型twnsc+pscr氢内燃机专用后处理装置。其中twnsc由前端twc催化剂和后端lnt催化剂耦合而成，pscr采用上游的twnsc产生的nh3作为还原剂。此外，通过在twnsc上游引入h2喷嘴，结合本发明提供的一种氢内燃机专用后处理装置控制策略，通过实时采集的温度信号、nox信号和h2信号，基于twnsc+pscr的nox转化map和吸脱附模型判断h2喷射策略。该专利不仅适用于化学当量比工况，也适用于稀燃工况，实现宽当量比范围内高效nox减排，解决氢内燃机的nox排放高的问题，具体方案如下：

4、一种宽当量比氢内燃机用后处理装置，该装置包括依次连接的nox存储式三元催化器，简称twnsc，和被动式选择性催化还原器，简称pscr，所述的nox存储式三元催化器一端设有用于氢内燃机尾气进入的进气管道，该进气管道与氢气供给源连接。

5、进一步地，所述的进气管道上设有与氢气供给源连接的氢气喷嘴，以及用于检测进气成分和/或温度的气体传感器；所述的气体传感器包括温度传感器、前nox传感器和h2传感器。

6、进一步地，所述的nox存储式三元催化器和被动式选择性催化还原器之间设有连接管道；所述被动式选择性催化还原器远离连接管道的一侧设有出气管道；所述的连接管道上设有用于检测反应气中nox含量的中nox传感器；所述的出气管道上设有用于检测尾气中nox含量的后nox传感器。

7、进一步地，所述的nox存储式三元催化器内靠近进气管道的一端涂覆有twc催化剂，远离进气管道的一端涂覆有lnt催化剂。

8、进一步地，所述的nox存储式三元催化器和被动式选择性催化还原器呈u形布置或直列形布置。

9、进一步地，该装置还包括用于接收和反馈信号的电控单元，该电控单元与氢气喷嘴、气体传感器、中nox传感器和后nox传感器信号连接。

10、一种如上所述宽当量比氢内燃机用后处理装置的控制方法，该控制方法包括以下步骤：

11、st.1获取氢内燃机工况信息；

12、st.2利用nox存储式三元催化器和被动式选择性催化还原器对氢内燃机尾气进行处理；

13、st.3当h2传感器检测出h2浓度小于最低阈值时，通过电控单元触发氢气喷嘴开关，喷射氢气；当h2浓度不小于最低阈值时，返回st.2；

14、st.4采集后nox传感器输出的氢内燃机最终排放参数，结束尾气处理。

15、进一步地，当氢内燃机工况为化学当量比工况时，基于化学当量比下nox存储式三元催化器和被动式选择性催化还原器的nox转化map设定h2最低阈值cmin。

16、进一步地，当氢内燃机工况为稀燃工况时，基于稀燃工况下nox存储式三元催化器和被动式选择性催化还原器的nox转化map以及nox吸脱附模型，设定nox最大吸附阈值smax以及nox脱附所需h2浓度最小阈值cdmin。

17、进一步地，当判断nox存储式三元催化器吸附nox不小于最大吸附阈值smax，触发对nox脱附所需h2浓度最小阈值cdmin的搜寻，判断实时尾气h2浓度是否小于最低阈值cdmin；当吸附nox小于最大吸附阈值smax时，返回st.2。

18、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

19、(1)本发明提供了一种twnsc+pscr组合型氢内燃机专用后处理装置，该装置的twnsc由前端twc催化剂和后端lnt催化剂耦合而成，pscr采用上游的twnsc产生的nh3作为还原剂，摆脱了常规发动机的尿素喷射系统，该后处理装置布置方式使得三种催化剂的利用率最大化，并且节省空间，降低成本，简化后处理控制策略；

20、(2)本发明通过在后处理装置前加装h2喷嘴，解决了twnsc催化剂还原剂不足的困难，也使得lnt催化剂的nox脱附过程不再受浓燃工况限制；

21、(3)本发明进一步提供了针对该氢内燃机专用后处理装置的控制策略，通过实时采集的nox信号和h2信号，基于twnsc的nox转化map和吸脱附map判断h2喷射策略，不仅适用于化学当量比工况，也适用于稀燃工况，实现宽当量比范围内高效nox减排。

技术特征：

1.一种宽当量比氢内燃机用后处理装置，其特征在于，该装置包括依次连接的nox存储式三元催化器(2)和被动式选择性催化还原器(3)，所述的nox存储式三元催化器(2)一端设有用于氢内燃机尾气进入的进气管道，该进气管道与氢气供给源连接。

2.根据权利要求1所述的一种宽当量比氢内燃机用后处理装置，其特征在于，所述的进气管道上设有与氢气供给源连接的氢气喷嘴(1)，以及用于检测进气成分和/或温度的气体传感器；所述的气体传感器包括温度传感器(4)、前nox传感器(5)和h2传感器(6)。

3.根据权利要求1所述的一种宽当量比氢内燃机用后处理装置，其特征在于，所述的nox存储式三元催化器(2)和被动式选择性催化还原器(3)之间设有连接管道；所述被动式选择性催化还原器(3)远离连接管道的一侧设有出气管道；所述的连接管道上设有用于检测反应气中nox含量的中nox传感器(7)；所述的出气管道上设有用于检测尾气中nox含量的后nox传感器(8)。

4.根据权利要求1所述的一种宽当量比氢内燃机用后处理装置，其特征在于，所述的nox存储式三元催化器(2)内靠近进气管道的一端涂覆有twc催化剂，远离进气管道的一端涂覆有lnt催化剂。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种宽当量比氢内燃机用后处理装置，其特征在于，所述的nox存储式三元催化器(2)和被动式选择性催化还原器(3)呈u形布置或直列形布置。

6.根据权利要求1-4所述的一种宽当量比氢内燃机用后处理装置，其特征在于，该装置还包括用于接收和反馈信号的电控单元(9)，该电控单元(9)与氢气喷嘴(1)、气体传感器、中nox传感器(7)和后nox传感器(8)信号连接。

7.一种如权利要求1-6任一项所述宽当量比氢内燃机用后处理装置的控制方法，其特征在于，该控制方法包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种宽当量比氢内燃机用后处理装置的控制方法，其特征在于，当氢内燃机工况为化学当量比工况时，基于化学当量比下nox存储式三元催化器(2)和被动式选择性催化还原器(3)的nox转化map设定h2最低阈值cmin。

9.根据权利要求7所述的一种宽当量比氢内燃机用后处理装置的控制方法，其特征在于，当氢内燃机工况为稀燃工况时，基于稀燃工况下nox存储式三元催化器(2)和被动式选择性催化还原器(3)的nox转化map以及nox吸脱附模型，设定nox最大吸附阈值smax以及nox脱附所需h2浓度最小阈值cdmin。

10.根据权利要求9所述的一种宽当量比氢内燃机用后处理装置的控制方法，其特征在于，当判断nox存储式三元催化器(2)吸附nox不小于最大吸附阈值smax，触发对nox脱附所需h2浓度最小阈值cdmin的搜寻，判断实时尾气h2浓度是否小于最低阈值cdmin；当吸附nox小于最大吸附阈值smax时，返回st.2。

技术总结
本发明涉及一种宽当量比氢内燃机用后处理装置及其控制方法。该装置包括依次连接的NO<subgt;x</subgt;存储式三元催化器(2)和被动式选择性催化还原器(3)，NO<subgt;x</subgt;存储式三元催化器(2)与氢气供给源连接。控制方法包括以下步骤：St.1获取氢内燃机工况信息；St.2利用NO<subgt;x</subgt;存储式三元催化器(2)和被动式选择性催化还原器(3)对氢内燃机尾气进行处理；St.3当H<subgt;2</subgt;传感器(6)检测出H<subgt;2</subgt;浓度小于最低阈值时，通过电控单元(9)触发氢气喷嘴(1)开关，喷射氢气；当H<subgt;2</subgt;浓度不小于最低阈值时，返回St.2；与现有技术相比，本发明具能够实现当量比高瞬变、瞬变范围广的氢内燃机尾气中NO<subgt;x</subgt;的持续高效减排，解决氢内燃机的NO<subgt;x</subgt;排放高的问题。

技术研发人员：张允华,陈雅娟,房亮,许凯文,谭丕强,胡志远
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13