[发明专利]一种用于氢发动机起动减排放及氢气消耗率的控制方法

说明书

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_TWCt₀(t₀为催化器起燃温度)时，发动机应在较大的当量比Φ₀下起动，且随三元催化器载体温度的升高，Φ₀线性减小。合适的当量比Φ₀值在1.38到1.50之间；(2)当t₀≤t_TWC≤t₁(t₁为三元催化器催化转化率为90％时的温度)时，混合气当量比Φ₁随催化器载体温度t_TWC在Φ₀至1.0之间线性调整；(3)当t_TWC＞t₁时，发动机应在某一较小恒定当量比Φ₂下起动，合适的Φ₂在Φ₁到1.0之间。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的NOx排放及氢气消耗率，具有一定的创新性和应用前景。

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：