一种用于氢发动机起动减排放及氢气消耗率的控制方法

摘要

本发明旨在提出一种用于氢发动机起动减排放及氢气消耗率的控制方法，该方法包括：(1)当催化器载体温度t

说明书

技术领域

本发明属于发动机燃烧及排放控制领域，具体涉及一种用于氢发动机起动减排放及氢气消耗率的控制方法。

背景技术

随着化石能源的逐年消耗和国内外排放法规的日益严苛，积极开发新能源、寻找车用发动机代用燃料已经成为发动机领域重要的研究课题。在众多的发动机代用燃料中，氢气因具有点火能量低、燃烧界限宽、火焰传播速度快、燃烧产物清洁等优良燃烧特性，而被广泛认为是车用发动机较为理想的替代燃料之一。同时，氢在发动机上应用时不需要对发动机本体进行过多改造，具有改装成本低且适用于在用车辆的特点。因此，氢发动机可以被看作是一种简单、易行的实现发动机节能、减排的有效技术手段。另一方面，氢发动机污染物的排放方面具有常规石油燃料发动机无可比拟的优点，它的唯一有害排放物是NOx，因此控制NOx排放成为氢发动机发展亟需解决的问题。

起动(包括冷起动和热起动)是发动机的一种典型工况，虽然时间较短，却是发动机状态最不稳定、燃烧最恶劣的工况。降低氢发动机起动阶段的NOx排放，对于改善氢发动机整体性能、推广氢发动机汽车具有重要的意义。现有控制氢发动机NOx排放的手段主要有推迟点火时刻、稀薄燃烧、浓燃、喷水及EGR等。由于发动机起动工况的不稳定性，采用推迟点火时刻、稀薄燃烧、喷水及EGR技术均不利于发动机的成功起动，而大量试验研究证明采用浓燃策略可以在保证氢发动机成功起动的同时有效降低起动阶段NOx排放。

浓燃是指发动机在实际空燃比小于理论空燃比时的燃烧，即混合气当量比大于1。这里的“当量比”是指理论空燃比与实际空燃比的比值，是衡量燃烧过程中氢气与空气比例的物理量，当量比大于1表明实际进入缸内的氢气量大于理论进入缸内的氢气量，即称为浓燃。氢发动机浓燃起动时，三元催化器前NOx排放如图1所示。浓燃对氢发动机NOx排放的影响机理如下：氢发动机中NOx生成量与燃烧室温度、燃烧室高温持续时间以及在燃烧室高温条件下O₂的浓度有关，而温度对NOx生成影响最为显著。当发动机在浓混合气下运转时，缸内空气量较少，减少了与氮气结合的氧气数量。同时，发动机处于浓混合气燃烧模式下，排气中存在部分氢气，可作为还原剂在三元催化器中还原已生成的NOx，进一步降低NOx的排放。

由于发动机在热起动和冷起动时三元催化器的温度不同，而催化器转化效率的高低与温度有着直接的关系。三元催化器转化效率随温度的变化曲线如图2所示。当发动机冷起动或催化器载体温度低于催化器起燃温度时，三元催化器催化转化效率极低，无法对排气中的NOx进一步净化，为了保证起动阶段的排放达标，因此发动机需要在较大的当量比下起动，保证三元催化器前NOx排放已经很低。而当发动机热起动且三元催化器载体温度较高时，随着催化器载体温度的升高，催化器转化效率逐渐提高，可对排气中的NOx进一步催化还原。因此，这时可适当降低混合气当量比，在保证排放极低的基础上最大限度减少发动机起动阶段的氢气消耗，提高氢发动机起动的经济性。

发明内容：

本发明的目的是提供一种用于氢发动机起动减排放及氢气消耗率的控制方法，该方法通过采用浓燃起动策略并配合三元催化器来实现氢发动机起动NOx超低排放；通过划分发动机起动前催化器载体的温度区间，结合氢-空气混合气浓度对NOx生成的影响机理及温度对三元催化器催化效率的影响机理，对不同温度区间执行相应的控制方法来有效降低起动过程中氢气消耗率。

为了达到降低氢发动机起动过程中NOx排放及燃料消耗率的目标并保证发动机的成功起动，根据氢-空气混合气浓度对氢发动机排放的影响机理及温度对三元催化器影响机理，本发明所述的一种用于氢发动机起动减排放及氢气消耗率的控制方法可分为三个控制范围(如图3所示)：

(1)当发动机冷起动或催化器载体温度t_TWC<t₀的热起动时(t₀为三元催化器起燃温度，即NOx催化转化率为50％时的温度)，三元催化器没有起燃，催化转化效率极低，无法对排气中的NOx进一步净化，为了保证起动阶段的排放达标，因此发动机需要在较大的当量比Φ₀下运转，保证三元催化器前NOx排放已经很低(如NOx在排气中的体积分数低于50ppm)。合适的当量比Φ₀在1.38到1.50之间，且随三元催化器载体温度的升高，当量比Φ₀应线性降低。这时的当量比应确保发动机成功起动且排放极低。

(2)当发动机热起动且三元催化器载体温度t₀≤t_TWC≤t₁时(t₁为三元催化器NOx催化转化率为90％时的温度)，此时三元催化器开始工作，随着催化器载体温度的升高，催化器转化效率逐渐提高，可对排气中的NOx进一步催化还原。因此，在此工段下，混合气当量比Φ₁随催化器载体温度在Φ₀至1.0之间调整，在保证低NOx排放的同时最大限度减少发动机起动过程中氢气消耗率。

(3)当发动机热起动且三元催化器载体温度t_TWC＞t₁时，此时三元催化器转化率达到最大，且维持在某一值恒定。发动机应在某一较小当量比Φ₂下起动，Φ₂为三元催化器最大转换率下发动机排放极低的最小当量比，且该当量比不随催化器载体温度的变化而调整，合适的Φ₂在Φ₁到1.0之间。

本发明的有益效果是：

本发明旨在提出一种用于氢发动机起动减排放及氢气消耗率的控制方法，其优点是：采用浓燃起动策略极大地降低氢发动机NOx排放；通过划分发动机起动前催化器载体的温度区间，结合氢-空气混合气浓度对NOx生成的影响机理及温度对三元催化器催化效率的影响机理，对不同温度区间执行相应的控制方法。与现有技术相比，本发明所述的控制方法在保证氢发动机起动可靠性的同时极大地降低了起动过程中NOx排放及氢气消耗率，具有一定的创新性和应用前景。

附图说明

图1所示为氢发动机起动时三元催化器前NOx排放量随着混合气当量比的变化规律。由图中曲线变化趋势可以看出，当混合气当量比大于1.4时，NOx排放极低(NOx在排气中的体积分数低于50ppm)，不需配合三元催化器即可实现起动低排放；当混合气当量比在1.0～1.4时，NOx排放随混合气浓度的增加而急剧下降，但排放量仍然相对较高，因此需要配合三元催化器实现起动低NOx排放。

图2所示为三元催化器转化效率随催化器载体温度t_TWC的变化规律。图中，t₀为三元催化器的起燃温度，t₁为三元催化器NOx催化效率达到90％时的温度。由图可以看出，当催化器载体温度t_TWC<t₀时，催化器没有起燃，NOx转化效率极低，无法对排气中的NOx进一步净化；当催化器载体温度在t₀≤t_TWC≤t₁时，催化器转化效率随温度的升高快速升高，可对排气中的NOx进一步催化还原；当催化器载体温度t_TWC＞t₁时，三元催化器达到最大NOx转化效率，此时升高温度无法进一步提升催化器的转化效率。

图3所示为发动机不同催化器载体温度下起动时混合气当量比控制策略。分为三部分：(1)当发动机冷起动或催化器载体温度t_TWC<t₀的热起动时，发动机应在较大的当量比Φ₀下起动，合适的当量比Φ₀值在1.38到1.50之间，且随三元催化器载体温度的升高，当量比Φ₀线性减小；(2)当发动机热起动且三元催化器载体温度t₀≤t_TWC≤t₁时，混合气当量比Φ₁控制在Φ₀至1.0之间，且随三元催化器载体温度的升高，当量比Φ₁线性减小。这时的当量比Φ₁在保证低NOx排放的同时最大限度减少发动机起动过程中氢气消耗率；(3)当发动机热起动且三元催化器载体温度t_TWC＞t₁时，发动机应在某一较小恒定当量比Φ₂下起动，且Φ₂不随催化器载体温度的变化而调整。合适的Φ₂在Φ₁到1.0之间。

图4为氢发动机起动控制系统简图。图中：1、活塞2、燃烧室3、火花塞4、氢气喷射器5、进气系统6、发动机电子控制单元(ECU)7、氧传感器8、热电偶9、排气管10、三元催化器(TWC)11、氢气供给系统

a、发动机进气压力、进气量、冷却水温度、节气门位置等传感器信号b、氧传感器信号c、三元催化器载体温度信号d、氢气喷射信号

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、控制过程和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图1至图4，对本发明实施例中的技术方案、控制方法进行更为清楚、完整的描述。

本发明所涉及的氢发动机起动控制系统的构成有：活塞、燃烧室、火花塞、氢气喷射器、进气系统、发动机电子控制单元(ECU)、氧传感器、热电偶、排气管、三元催化器、氢气供给系统、发动机进气压力、进气量、冷却水温度、节气门位置等传感器信号a、氧传感器信号b、三元催化器载体温度信号c、氢气喷射信号d。其中，发动机电子控制单元(ECU)是整个发动机的计算机管理系统，相关信号(氢气供给系统、发动机进气压力、进气量、冷却水温度、节气门位置等传感器信号a、氧传感器信号b、三元催化器载体温度信号c、氢气喷射信号d)输入ECU，经过ECU计算输出节气门开度、点火时刻、氢气喷射脉宽等控制信号。

整个系统的工作过程是：当驾驶员发出起动指令时，安装在三元催化器10载体上的热电偶8获取三元催化器载体温度信号c并发送至发动机ECU，ECU通过查表(比如图3)获得此温度条件下的当量比设定值并计算输出氢气喷射脉宽，发出氢气喷射脉宽信号d至氢气喷射器4实现燃料喷射；起动过程中，ECU根据安装在排气管9上氧传感器7发出的氧传感器信号b实现对当量比的闭环反馈控制。

为了达到降低氢发动机起动过程中NOx排放及燃料消耗率的目标并保证发动机的成功起动，根据氢-空气混合气浓度对氢发动机排放的影响机理及温度对三元催化器影响机理，本发明所涉及的一种用于氢发动机起动减排放及氢气消耗率的控制方法可分为三个控制范围(如图3所示)：

(1)当发动机冷起动或三元催化器载体温度t_TWC<200℃的热起动时，三元催化器没有起燃，催化转化效率极低，无法对排气中的NOx进一步净化，为了保证起动阶段NOx排放较低，因此氢发动机需要在较大的当量比下运转，同时起动期间随着三元催化器载体温度的升高，当量比Φ₀应线性降低。混合气当量比Φ₀与三元催化器载体温度t_TWC的关系可拟合为：Φ₀＝-0.0006t_TWC+1.514；

(2)当发动机热起动且三元催化器载体温度200℃≤t_TWC≤400℃时，此时随着催化器载体温度的升高，三元催化器对NOx转化效率逐渐提高，可对排气中的NOx进一步催化还原。因此，在此工段下，起动期间随着三元催化器载体温度t_TWC的升高，当量比Φ₀应线性降低。混合气当量比Φ₀与三元催化器载体温度t_TWC的关系为：Φ₁＝-0.0015t_TWC+1.700；

(3)当发动机热起动且三元催化器载体温度t_TWC＞400℃时，此时三元催化器转化率达到最大，且维持在某一值恒定。发动机应在当量比1.05附近起动。这时的当量比在保证排放极低的基础上最大限度减少发动机起动阶段的氢气消耗。

采取本发明所述控制方法后，试验测得氢发动机三次起动(一次冷起动、两次热起动)三元催化器后的NOx排放值，结果如下表所示。

由试验结果可以看出，氢发动机在不同催化器载体温度时分别进行三次起动，采取浓燃策略并配合三元催化器均可实现氢发动机起动阶段超低NOx排放，NOx排放均值约为50-60ppm；而与恒定当量比起动相比，采用本发明所述控制方法三次起动可节约氢气10.9％。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。