CN101336339B - 气体燃料内燃机及气体燃料内燃机的控制方法 - Google Patents

气体燃料内燃机及气体燃料内燃机的控制方法 Download PDF

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Abstract

在气体燃料内燃机中，沿着从燃烧室中的缸内喷射阀(40)喷射的气态燃料流的移动方向来设置点火装置(16，60，62，64，66)。点火装置可以直接点燃燃料流，并且通过朝向由该点燃产生的火焰顺序喷射气态燃料，可以进行气态燃料的扩散燃烧。此外，还可以通过在从缸内喷射阀喷射的气态燃料已经与空气充分混合之后点燃混合气，来进行气态燃料的预混合燃烧。当发动机在指定的工作区域内工作时，选择稀预混合燃烧工作作为发动机的工作模式，而当发动机在比所述指定的工作区域的负载高的工作区域内工作时，将工作模式切换为扩散燃烧工作。

Description

气体燃料内燃机及气体燃料内燃机的控制方法
技术领域
本发明涉及一种能够以诸如氢等的气态燃料进行工作的气体燃料内燃机。
背景技术
如日本专利申请公报No.JP-A-6-88542中所述，诸如氢之类的气态燃料可以用作内燃机的燃料。氢的可燃范围宽至4-75的体积百分比，并且能够在极稀的混合气(空气过剩率λ等于或大于大约4)中容易地燃烧。因此，如果使用氢作为内燃机的燃料，则即使在极稀的空燃比下也能提取出功率，从而使得可以实现所谓的“超稀燃烧工作”。
在超稀燃烧工作中，可以完全打开节气阀，由此减小泵吸损耗并降低燃烧温度，这又导致冷却损耗的减少。泵吸损耗和冷却损耗的减少提高了发动机效率，从而可以使发动机以优异的燃料经济性和高效率来运行。此外，燃烧温度的降低有助于抑制NOx的排放，并且氢燃料的使用还能够防止任何CO2和CO的产生。这意味着以氢为燃料的超稀燃烧工作能够实现完全零排放。
但是，在高负载区域中，很难实现以氢为燃料的超稀燃烧工作，因为尽管为了产生实现运行所需的输出功率而在高负载区域中增加了氢燃料的量，但是为了该目的而可以使用的进气的量有限。由于该原因，在高负载区域中，与氢的量相比，所吸入的空气量不足，由此使得不能保持所需的超稀燃烧空燃比。
空燃比对内燃机中的效率和排放控制具有重大影响。图32示出空气过剩率λ对内燃机的热效率和冷却损耗的影响，其中X轴表示空气过剩率λ，Y轴表示热效率和冷却损耗。如图所示，随着空气过剩率λ减小，冷却损耗增大。特别地，如果空气过剩率λ变得小于2，则冷却损耗急剧增加。结果，当空气过剩率λ在2附近时，内燃机的热效率到达峰值点，然后在λ小于2的区域内，随着空气过剩率λ减小，热效率逐渐减小。
图33表示在氢和汽油分别用作燃料的情况下，与NOx排放量相对于空气过剩率λ的变化相对应的曲线图，其中X轴表示空气过剩率λ，Y轴表示NOx排放量。如这些曲线图中所示，在氢用作燃料的情况下，当空气过剩率λ大于2时，NOx排放量几乎为零。但是，在空气过剩率λ小于2时，氢用作燃料情况下的NOx排放量迅速增加至大于汽油用作燃料情况下的NOx排放量。
如上所述，只要空气过剩率λ保持为大于2，以氢为燃料的内燃机(“氢内燃机”)本质上能够以高效率和低排放进行工作；但是，在空气过剩率λ小于2的情况下，其效率降低并且NOx排放量急剧增加。这是因为氢的燃烧速率比诸如汽油等的碳氢燃料高数倍(略小于十倍)，还因为当空燃比接近化学计量空燃比(也就是λ＝1)时，燃烧进行得更快。图34描述了分别在λ＝1和λ＝2时，与生热速率随曲柄角的变化相对应的曲线，其中X轴表示曲柄角，Y轴表示生热速率。如这些曲线图所示，在λ＝2时，生热速率缓慢增加并且具有较低的峰值。另一方面，在λ＝1时，生热速率迅速增加并且具有较高的峰值。当生热速率的峰值变得较高时，燃烧室中的空燃混合物的燃烧变得迅速且猛烈。
这样的快速燃烧导致燃烧室中的燃烧温度升高。结果，如上所述，冷却损耗增加并且NOx排放量剧增。此外，在实践中，缸内压力上升率显著增高，使得燃烧噪声和对发动机主体的损害明显增加。这些因素使得很难使传统的氢内燃机在持续的高负载下运行。
发明内容
本发明提供了一种在从低负载区域到高负载区域的较宽工作范围上都能够以高效率和低排放运行的气体燃料内燃机，并提供了用于该内燃机的控制方法。
根据本发明的第一方面，提供了一种能够用气态燃料工作的气体燃料内燃机，该内燃机包括：用于将所述气态燃料直接喷射到燃烧室内的缸内喷射阀；沿着从所述缸内喷射阀喷射的所述气态燃料的喷流方向设置的点火装置；以及控制单元，所述控制单元用于控制所述点火装置的工作正时和所述缸内喷射阀的工作正时，以根据从所述缸内喷射阀喷射的所述气态燃料在稀预混合燃烧工作模式和扩散燃烧工作模式之间切换。当所述内燃机在指定的工作区域内工作时，所述控制单元选择用于使所述气态燃料以稀空燃比预混合并燃烧的稀预混合燃烧工作模式，而当所述内燃机在与所述指定的工作区域相比负载更高的工作区域内工作时，所述控制单元选择用于使所述气态燃料扩散燃烧的扩散燃烧工作模式。
根据本发明的第二方面，所述内燃机是使用氢气作为所述气态燃料的氢内燃机。
根据本发明的第三方面，在空气过剩率能够保持为实质地(基本上，substantially)等于或大于2的工作区域内，所述控制单元选择所述稀预混合燃烧工作模式，而在所述空气过剩率不能保持为实质地等于或大于2的工作区域内，所述控制单元选择所述扩散燃烧工作模式。
根据本发明的第四方面，所述气体燃料内燃机还包括用于确定空气过剩率的装置，并且在所述稀预混合燃烧工作期间，当所述空气过剩率低于预定阈值时，所述控制单元将所述内燃机的工作模式切换为所述扩散燃烧工作模式。
根据本发明的第五方面，所述气体燃料内燃机还包括用于获取缸内压力上升率的装置，并且在所述稀预混合燃烧工作期间，当所述缸内压力上升率高于预定阈值时，所述控制单元将所述内燃机的工作模式切换为所述扩散燃烧工作模式。
根据本发明的第六方面，在进行所述扩散燃烧工作时，所述控制单元先行喷射一部分气态燃料，并且在所述先行喷射的气态燃料与空气混合的氛围中进行用于扩散燃烧的主喷射，其中，先行喷射的气态燃料量是由所需的负载来决定的。
根据本发明的第七方面，在所述先行喷射之后并在所述主喷射之前，所述控制单元致动(激活)所述点火装置。
根据本发明的第八方面，当进行所述扩散燃烧工作时，视气态燃料喷射时间段而定，所述控制单元在气态燃料喷射过程中附加地致动所述点火装置。
根据本发明的第九方面，可以沿着所喷射的气态燃料的路径设置多个点火装置；并且在进行所述扩散燃烧工作期间，所述控制单元同时致动所述多个点火装置或者按照相对于所述缸内喷射阀的距离从最近到最远的顺序以一相差依次致动所述多个点火装置。
根据本发明的第十方面，所述缸内喷射阀可以构造成在多个方向上喷射气态燃料，并且所述多个点火装置可以与所述缸内喷射阀的相应喷射路径对准。
根据本发明的第十一方面，在进行所述稀预混合燃烧工作的工作区域的低负载区域内，所述控制单元允许所述缸内喷射阀在进气阀关闭之前喷射气态燃料，而在进行所述稀预混合燃烧工作的工作区域的高负载区域内，所述控制单元允许所述缸内喷射阀紧接在进气阀关闭之后喷射气态燃料。
根据本发明的第十二方面，所述气体燃料内燃机可以还包括用于将气态燃料喷射到进气口内的进气口喷射阀，其中，在工作区域的低负载区域内，所述控制单元允许所述进气口喷射阀在进气阀关闭之前喷射气态燃料，而在所述工作区域的高负载区域内，所述控制单元允许所述缸内喷射阀紧接在进气阀关闭之后喷射气态燃料。
根据本发明的第十三方面，在进行所述稀预混合燃烧工作的工作区域的极低负载区域内，所述控制单元允许所述缸内喷射阀在压缩冲程的过程中喷射气态燃料，以使所述气态燃料能够经历分层燃烧，而在所述极低负载区域以上的工作区域内，所述控制单元允许所述缸内喷射阀在进气冲程的过程中或在所述压缩冲程开始时喷射气态燃料，以使所述气态燃料能够经历均质燃烧。
通过在所喷射的气态燃料流的方向上设置点火装置，点火装置可以直接点燃气态燃料流。通过连续向由于点火而产生的火焰(引导火焰)喷射气态燃料，可以进行气态燃料的扩散燃烧。通过在从缸内喷射阀喷射的气态燃料已经与空气充分混合之后点燃混合气，还可以进行气态燃料的预混合燃烧。
根据本发明的第一方面，当内燃机开始在高负载区域中运行时，将预混合燃烧工作切换为扩散燃烧工作。这允许气态燃料缓和地燃烧并使得可以避免由于空燃比接近化学计量比而发生的剧烈燃烧。剧烈燃烧的避免抑制了缸内温度、冷却损耗以及NOx排放量的升高。因而，通过在低负载区域或者中等负载区域内进行稀预混合燃烧工作而在高负载区域内进行扩散燃烧工作，可以在宽的发动机工作区域上实现高效率和低排放。
根据本发明的第二方面，使用氢作为气态燃料避免了CO2和CO的任何产生，由此实现了完全零排放。本质上，氢高速燃烧并且因此当空燃比接近化学计量比时氢的燃烧迅速且猛烈。但是，在高负载区域将发动机工作模式转换成扩散燃烧工作，抑制了可能由于快速燃烧而产生的发动机效率的任何降低以及排放控制的任何劣化。
更具体而言，如果空气过剩率变得小于2，则氢的燃烧将变快，这导致在稀预混合燃烧工作中发动机效率显著降低并且排放控制显著劣化。根据本发明的第三方面，在空气过剩率能够保持为实质地等于或者大于2的工作区域内进行稀预混合燃烧工作。在空气过剩率不能保持为实质地等于或者大于2的工作区域内，将稀预混合燃烧工作转变成扩散燃烧工作。这使得在从低负载区域到高负载区域的较宽发动机工作区域上能够实现高效率和低排放。
从前述内容可以看出，空气过剩率严重影响氢发动机(气体燃料内燃机的代表)中的发动机效率和排放控制。如果空气过剩率过小，则发动机效率和排放控制显著劣化。根据本发明的第四方面，在稀预混合燃烧工作期间的实际空气过剩率与基准值进行比较，并且如果空气过剩率低于该基准值，则稀预混合燃烧工作改变成扩散燃烧工作。这使得可以避免可能由于快速燃烧而产生的发动机效率的降低以及排放控制的劣化。
视发动机的工作环境或者状态而定，即使空气过剩率在该基准值以上也可能会使气态燃料的燃烧迅速发生。该迅速燃烧导致缸内温度的急剧增加，结果燃烧室内的气压(即缸内压力)增加得非常高。根据本发明的第五方面，将稀预混合燃烧工作期间的缸内压力上升率与基准值进行比较，并且如果缸内压力上升率在该基准值以上，则将稀预混合燃烧工作改变至扩散燃烧工作。这使得能够以更加可靠的方式避免可能由于快速燃烧而产生的发动机效率的降低以及排放控制的劣化。
在扩散燃烧工作被选择为内燃机的工作模式的情况下，燃烧持续时间最短变得等于从缸内喷射阀喷射气态燃料的时间段，这意味着燃烧持续时间实际上被延长。尤其是，在高负载区域内，与燃料喷射量的增加成比例，燃烧持续时间被显著延长，这阻碍了理想的燃烧并增加了排放损耗。根据本发明的第六方面，在用于扩散燃烧的主喷射之前先行喷射一部分气态燃料。这部分地缩短了主喷射的持续时间，由此避免了燃烧时间的任何延长。
根据本发明的第七方面，在执行先行喷射之后并在执行主喷射之前致动点火装置，由此先行喷射的气态燃料和空气的混合物被点燃以产生能够用于产生扩散燃烧的引导火焰。这增加了主喷射期间的缸内温度，由此确保了主喷射过程中喷射的气态燃料能够被以更可靠的方式点燃。这减少了未燃烧气态燃料的排放量。此外，如果以此方式在扩散燃烧之前燃烧一部分气态燃料，则可以抑制扩散燃烧过程中缸内压力的任何过度增加。
在扩散燃烧工作期间排放的未燃烧气态燃料的量趋于随着气态燃料喷射量的增加而增加，也就是随着气态燃料喷射持续时间的增长而增加。根据本发明的第八方面，视气态燃料喷射时间段而定，在气态燃料喷射过程中附加地致动点火装置。这确保了能够以更可靠的方式点燃气态燃料，由此减少了未燃烧气态燃料的排放量。
根据本发明的第九方面，沿着从缸内喷射阀喷射的气态燃料的路径设置有多个点火装置。由此，未被上游侧点火装置点燃的任何气态燃料能够通过使用配置在下游侧的点火装置来点燃。这确保了以更可靠的方式来点燃气态燃料，由此减少了未燃烧气态燃料的排放量。
根据本发明的第十方面，缸内喷射阀被构造成沿着多个方向喷射气态燃料，从而能够在燃烧室内的多个位置处发生扩散燃烧。由此，可以减少在特定方向上喷射的气态燃料的量。这确保了以更可靠的方式来点燃气态燃料，由此减少了未燃烧气态燃料的排放量。
在气态燃料和空气的混合物以稀空燃比来燃烧的情况下，混合气的浓度应当优选尽可能均匀。为此，需要在进气冲程的过程中喷射气态燃料，使得能够确保足够的时间来混合气态燃料与空气。但是，由于气态燃料的体积较大，如果内燃机的负载增加并且因此所喷射气态燃料的量增加，则可进入燃烧室的空气量相应减少。结果，不能保持高的空气过剩率。
在这方面，本发明的第十一方面适于在空气能够被足量充入的低负载侧工作区域内，通过在进气阀关闭之前喷射气态燃料来确保用于混合气态燃料和空气的充足的时间。另一方面，在可能发生不足量进气的高负载侧工作区域内，紧接在进气阀关闭之后喷射气态燃料。这使得可以确保用于混合气态燃料的时间，同时消除了由于气态燃料而阻碍空气进入燃烧室的可能。由此，可以发生稀预混合燃烧工作的工作区域被扩展至高负载侧，这使得可以在更宽的工作区域上享受稀预混合燃烧工作的优点。
根据本发明的第十二方面，采用进气口喷射阀在进气阀关闭之前执行气态燃烧喷射。除了第十一方面所提供的效果，与仅使用缸内喷射阀的情况相比，这还可以延长用于混合气态燃料和空气的时间，并增加混合气的均匀性。
根据本发明的第十三方面，在压缩冲程中通过缸内喷射阀来喷射气态燃料，并经历分层燃烧。与均匀燃烧气态燃料的情况相比，这使得可以在更大程度上提高燃料经济性。
根据本发明的第十四方面，提供了一种用气态燃料工作的气体燃料内燃机的控制方法，该内燃机包括：直接向燃烧室内喷射气态燃料的缸内喷射阀；设置在从缸内喷射阀喷射的气态燃料流的方向上的点火装置。该控制方法包括以下步骤：控制所述点火装置的工作正时和所述缸内喷射阀的工作正时，以根据从缸内喷射阀喷射的气态燃料而在稀预混合燃烧工作模式和扩散燃烧工作模式之间切换。当内燃机在指定的工作区域内运行时，选择用于使气态燃料以稀空燃比预混合并燃烧的稀预混合燃烧工作模式，而当内燃机在与所述指定的工作区域相比负载更高的工作区域内运行时，选择用于使气态燃料扩散燃烧的扩散燃烧工作模式。
附图说明
结合附图，本发明的以上和其他目的和特征将从以下实施例的描述中变得更加清楚，附图中：
图1示意性地示出了根据本发明第一优选实施例的氢发动机；
图2是图1所示氢发动机中的燃烧室的周围结构的放大视图；
图3是图1所示氢发动机中的燃烧室的周围结构的一种变型的放大视图；
图4示出根据本发明第一实施例的氢发动机中用于选择发动机工作模式的图；
图5是在本发明第一实施例中的氢均匀化的稀燃烧工作期间，相对于缸内压力的波形来表示喷射正时的时间图；
图6是在本发明第一实施例中的火花塞辅助的氢扩散燃烧工作期间，相对于缸内压力的波形来表示喷射正时和点火正时的时间图；
图7的流程图示出在根据本发明第一实施例的氢发动机中用于改变发动机工作模式的例程；
图8的曲线图示出在图1所示的氢发动机中，缸内压力相对于曲柄角的变化；
图9的曲线图示出在图1所示的氢发动机中，生热速率相对于曲柄角的变化；
图10的曲线图示出根据不同的工作模式，图1所示氢发动机中的空气过剩率λ和净热效率之间的关系；
图11的曲线图示出根据不同的工作模式，图1所示氢发动机中的空气过剩率λ和NOx排放量之间的关系；
图12的曲线图示出根据不同的工作模式，图1所示氢发动机中的发动机负载和净热效率之间的关系；
图13的曲线图示出根据不同的工作模式，图1所示氢发动机中的发动机负载和NOx排放量之间的关系；
图14示意性地示出根据本发明第二实施例的氢发动机；
图15的流程图示出在本发明的第三实施例中用于改变发动机工作模式的例程；
图16的流程图示出在本发明的第四实施例中用于改变发动机工作模式的例程；
图17示出在本发明的第五实施例中用于选择发动机工作模式的图；
图18是在本发明第五实施例中的氢稀燃烧工作期间，相对于缸内压力的波形来表示喷射正时的时间图；
图19的流程图示出在本发明的第五实施例中用于改变发动机工作模式的例程；
图20示出在本发明的第六实施例中用于选择发动机工作模式的图；
图21是在本发明第六实施例中的火花塞辅助的氢扩散燃烧工作期间，相对于缸内压力的波形来表示喷射正时和点火正时的时间图；
图22的流程图示出在本发明的第六实施例中用于改变发动机工作模式的例程；
图23是在火花塞辅助的氢扩散燃烧工作期间，相对于生热速率的波形来表示喷射正时和点火正时的时间图，其中上侧的图示出本发明第七实施例中的喷射正时和点火正时，下侧的图描绘了与第一实施例中相同的喷射正时和点火正时；
图24的流程图示出在本发明的第七实施例中用于改变发动机工作模式的例程；
图25的流程图示出在本发明的第七实施例中用于改变发动机工作模式的例程的另一个示例；
图26是示出在根据本发明的第八实施例中，氢发动机内的燃烧室的周围结构的放大侧视图；
图27是示出在根据本发明的第八实施例中，氢发动机内的燃烧室的周围结构的放大俯视图；
图28A、28B和28C是用于说明在本发明的第八实施例中，在火花塞辅助的氢扩散燃烧工作期间进行的具体点火操作的视图；
图29的流程图示出在本发明的第八实施例中，用于改变发动机工作模式的例程的另一个示例；
图30的放大视图示出根据本发明的第九实施例的氢发动机内的燃烧室的周围结构；
图31的放大视图示出根据本发明的第十实施例的氢发动机内的燃烧室的周围结构；
图32的曲线图表示在通常的氢发动机中，空气过剩率λ与热效率和冷却损耗之间的关系；
图33的曲线图表示在通常的氢和汽油发动机中，空气过剩率λ和NOx排放量之间的关系；
图34的曲线图表示在通常的氢发动机中，生热速率相对于曲柄角的变化。
具体实施方式
以下，将参照图1至13详细说明本发明的第一实施例。
根据第一实施例的气体燃料内燃机是使用氢作为气态燃料的氢发动机。图1示意性地示出此实施例的氢发动机。该氢发动机包括气缸体6和气缸盖4，活塞8设置在气缸体6内用于进行往复运动，气缸盖4与气缸体6组装在一起。由气缸体6和气缸盖4的内壁以及活塞8的顶面所包围的空间形成燃烧室10。尽管在图中示出了单个燃烧室10，但是氢发动机是包括多个燃烧室10的多缸发动机。
进气管路20连接到燃烧室10上，空气通过进气管路20引入燃烧室10内。空气经由设置在进气管路20上游端处的空气滤清器22流入进气管路20内。用于控制引入到燃烧室10内的空气量的节气门24布置在进气管路20上。用于测量引入的空气量的空气流量计72在节气门24的上游连接到进气管路20上。用于控制进气管路20与燃烧室10连通的进气阀12设置在它们之间的连接部分处。
排气管路30也连接到燃烧室10上，燃烧室10内的燃烧气体通过排气管路30排放。布置在排气管路30上的净化催化剂32在排气被排放到大气中之前净化排气。用于测量排气中的氧浓度的氧传感器78在净化催化剂32的上游连接到排气管路30上。用于控制排气管路30与燃烧室10之间连通的排气阀14设置在它们之间的连接部分处。
缸内喷射阀40和火花塞16布置在燃烧室10内。缸内喷射阀40经由氢供应管46与氢供应装置42相连接。氢供应装置42可以是用于储氢的高压罐、用于重整碳氢化合物基燃料以产生氢的重整器或者诸如金属氢化物之类的吸氢材料。在此实施例的氢发动机中，对氢供应装置42的种类没有限制。在氢供应管46上设有用于向缸内喷射阀40供应氢的泵44。泵44适于将氢加压到即使在压缩上止点(“TDC”)附近也足以能喷射氢的高压力水平。在高压氢罐用作氢供应装置42的情况下，只要储存压力高于喷射压力，则调节器可代替泵44。
氢发动机还设置有电子控制单元(“ECU”)70作为其控制单元。缸内喷射阀40、火花塞16、节气门24和其他装置连接到电子控制单元70的输出部。除了氧传感器78和空气流量计72之外，曲柄角传感器74、爆燃传感器76和其他类型的传感器连接到电子控制单元70的输入部。基于各个传感器的输出，电子控制单元70适于在指定的控制程序下致动各个装置。
接下来，将描述包括在此实施例的氢发动机中的主要部分。图2是示出氢发动机中的燃烧室10的周围结构的放大视图。如图2所示，火花塞16配置在燃烧室10的顶端处。缸内喷射阀40以使其喷射孔定向为朝向火花塞16喷射氢的方式配置在燃烧室10的侧壁上。氢几乎不与空气混合，并且因此从缸内喷射阀40喷射的氢形成气流。可替换地，缸内喷射阀40和火花塞16可以如图3所示布置。在该布置中，缸内喷射阀40和火花塞16都配置在燃烧室10的顶端处。缸内喷射阀40的喷射孔定向为确保氢的气流能够经过火花塞16的末端。
根据图2和3所示的构造，通过在从缸内喷射阀40喷射氢的同时致动火花塞16，能够直接点燃氢气流。在这种情况下，氢的喷射正时被设定在从早于压缩TDC几度到晚于压缩TDC几度的范围内，火花塞16的点火正时被设定为与氢喷射正时一致或者略迟于氢喷射正时。根据所描述的布置，火花塞16在所喷射氢气流的中央产生火花。因为氢的可燃烧范围宽至4-75的体积百分比并且即使在极浓的氛围下也能容易地点燃，这不会存在问题。氢的点火产生火焰，也就是引导火焰。通过朝向火焰连续喷射氢，氢与空气扩散混合并继续燃烧。这意味着，根据此实施例的氢发动机，可以选择扩散燃烧作为氢燃烧类型。氢本身很难点燃，因此其本质上不适于扩散燃烧。但是，在此实施例中，通过火花塞16的点火作用来辅助氢的扩散燃烧，鉴于此，以下将使用表述“火花塞辅助的氢扩散燃烧”。
作为氢燃烧的一种类型，此实施例的氢发动机可以采用预混合燃烧(与在通常的内燃机中一样)以及上述的扩散燃烧。具体而言，在从缸内喷射阀40喷射的氢与空气充分混合以后，致动火花塞16以点燃氢-空气混合物。以此方式，可以执行预混合燃烧。此时，混合物的空燃比可以被设定为显著稀于化学计量比的值。这是因为如上所述，氢的可燃烧范围宽至4-75的体积百分比。根据此实施例的氢发动机，可以进行通过以稀的空燃比使氢与空气预混合来燃烧氢的发动机工作，即稀预混合燃烧工作。
在以稀空燃比来预混合并燃烧氢的情况下，优选使得混合气的浓度尽可能均匀。为此，需要确保充足的时间来混合氢与空气。根据此实施例的氢发动机，在燃烧室10内将氢与空气均匀混合所需的时间可以通过在进气冲程中喷射氢来确保，这确保了氢的均匀燃烧。以稀空燃比进行的这种氢均匀燃烧在以下将称作“氢均匀化的稀燃”或者简称为“均质稀燃”。
氢均匀化的稀燃减少了泵吸损耗和冷却损耗，使得氢发动机能够以良好的燃料经济性和高效率来工作。此外，氢均匀化的稀燃降低了燃烧温度，从而将NOx排放量抑制到大约为零。当氢发动机在较低或者中等负载区域内工作时，这些效果明显地显现出来。随着发动机负载增加，由氢均匀化的稀燃提供的优点减少。这是因为氢的体积较大，因此如果响应于发动机负载的高增长而增加氢喷射量，则由于引入燃烧室10内的空气量减少而使得空气过剩率λ不能保持较高。如在参考图32至34在“背景技术”部分中所描述的那样，如果空气过剩率λ变得小于2，则冷却损耗急剧增加并且NOx排放量显著升高。
为了在更宽的发动机工作区域上确保氢均匀化的稀燃的优点，需要抑制空气过剩率λ的降低，而这种降低源于氢喷射量的增加。因此，在此实施例的氢发动机中，当在空气过剩率λ保持足够大的低负载工作区域内执行氢均匀化的稀燃时，如上所述，在进气冲程的过程中也就是在进气阀12关闭之前喷射氢，由此确保了充足的时间来允许氢与空气混合。但是，在由于在进气冲程过程中喷射氢而使得空气过剩率λ不能保持为等于或大于2的高负载工作区域内，氢发动机被设计为紧接在进气阀12关闭之后，也就是在压缩冲程的早期阶段，通过缸内喷射阀40喷射氢。在以下的描述中，当需要进行特别区分时，前一种类型的氢喷射将被称之为“进气冲程喷射”，而后一种类型的氢喷射将被称为“进气阀关闭后喷射”。
图4示出用于选择此实施例的氢发动机的工作模式的图。该图是多维图，其轴线分别表示发动机负载和发动机转速。该图被制成使得如上所述，当在较高负载工作区域执行氢均匀化的稀燃时选择进气阀关闭后喷射。在该图中，选择进气阀关闭后喷射的工作区域代表无法通过氢的进气冲程喷射来使空气过剩率λ保持为等于或者大于2的工作区域，在比上述工作区域的负载低的工作区域内选择进气冲程喷射。
图5具体图示了在氢均匀化的稀燃工作中，喷射正时相对于缸内压力的波形的关系。如图5所示，在相对低的负载工作区域内选择的进气冲程喷射的过程中，喷射正时相对于进气阀12的关闭正时(缸内压力开始增加的时刻)提前。在相对高的负载工作区域内选择的进气阀关闭后喷射过程中，喷射正时相对于进气阀12的关闭正时延迟。尽管未示出，但是与传统的汽油发动机一样，点火正时被设置成刚好在压缩TDC之前。
进气阀关闭后喷射能够防止氢阻碍空气进入到燃烧室10内，由此使得空气可以充分地进入燃烧室10。此外，通过在进气阀12关闭之后立即开始氢喷射，能够充分地确保混合氢与空气所需的时间。因此，即使在无法通过进气冲程喷射而使空气过剩率λ保持为等于或者大于2的工作区域，进气阀关闭后喷射也可以在将空气过剩率λ保持为等于或大于2的同时进行氢均匀化的稀燃工作。
但是，对通过进气阀关闭后喷射来使空气过剩率λ能够保持为等于或者大于2的工作区域也具有一些限制。换言之，如果发动机负载保持增加至极高负载区域，则变得不能将空气过剩率λ保持为等于或者大于2，这是因为进气量达到其极限而氢喷射量与发动机负载成比例地继续增加。由于此原因，如图4的图所示，此实施例的氢发动机被设计为，在即使通过进气阀关闭后喷射也不能将空气过剩率λ保持为等于或大于2的这种高负载区域内，将其工作模式从氢均匀化的稀燃工作切换为火花塞辅助的氢扩散燃烧工作。
图6的时间图具体示出在火花塞辅助的氢扩散燃烧工作中，喷射正时和点火正时相对于缸内压力的波形的关系。如图6所示，在火花塞辅助的氢扩散燃烧中，喷射正时被设置为从压缩TDC之前的时间延续到压缩TDC之后的时间的时间段，点火正时被设定为与喷射的开始一致，或者略迟于喷射的开始。
现在参考图8至13，将描述根据图4所示的图通过基于发动机负载来改变工作模式所提供的优点，尤其是从氢均匀化的稀燃工作转换成火花塞辅助的氢扩散燃烧工作的优点。
图8的曲线图示出在氢发动机中，缸内压力相对于曲柄角的变化。在该曲线图中，实线表示当在λ＝2的状态下进行氢均匀化的稀燃工作时缸内压力的变化，而点划线表示当在λ＝1.5的状态下进行氢均匀化的稀燃工作时缸内压力的变化。从该曲线图可知，在氢均匀化的稀燃工作的情况下，当空气过剩率λ变得小于2时，缸内压力急剧增加。这是因为当空燃比接近化学计量比时，氢的燃烧速率非常高，因此燃烧非常迅速且猛烈。
氢的快速燃烧导致生热速率相对于曲柄角的迅速变化，并且还产生了较高的峰值。图9的曲线图示出在氢发动机中，生热速率相对于曲柄角的变化。实线表示当在λ＝2的状态下进行氢均匀化的稀燃工作时生热速率的变化，而点划线表示当在λ＝1.5的状态下进行氢均匀化的稀燃工作时生热速率的变化。从该曲线图可知，如果空气过剩率λ变得小于2(在该曲线图中λ＝1.5)，则氢在极短的时间段内迅速燃烧。
在图8的曲线图中，虚线表示当在λ＝1.5的状态下进行火花塞辅助的氢扩散燃烧工作时缸内压力的变化。如果将其与在λ＝1.5的相同状态下进行氢均匀化的稀燃工作时的情况进行比较，则可以看出，火花塞辅助的氢扩散燃烧工作显著降低了缸内压力的峰值。这是因为火花塞辅助的氢扩散燃烧允许氢比在预混合燃烧的情况下更慢地燃烧，从而抑制了燃烧温度的上升。在图9的曲线图中，虚线表示当在λ＝1.5的状态下进行火花塞辅助的氢扩散燃烧工作时生热速率的变化。通过将其与在λ＝1.5的相同状态下进行氢均匀化的稀燃工作时的情况进行比较可以看出，火花塞辅助的氢扩散燃烧能够延长氢燃烧的持续时间，并能够降低生热速率的峰值。
如上所述，在氢均匀化的稀燃状态下，当空气过剩率λ变得小于2并且空燃比接近按化学计量比时，燃烧迅速进行。通过将氢均匀化的稀燃工作切换到火花塞辅助的氢扩散燃烧工作，能够避免这种快速燃烧。快速燃烧的避免有助于抑制缸内温度的升高和冷却损耗的增加，进而保持高的净热效率并抑制NOx排放量的增加。此外，缸内压力具有较低的峰值，这有助于防止火焰噪声的产生并减少对发动机的任何损害。各个工作模式下空气过剩率λ和净热效率之间的关系具体如图10所示。此外，各个工作模式下空气过剩率λ和NOx排放量之间的关系具体如图11所示。
图10的曲线图示出对于各个工作模式，空气过剩率λ和净热效率之间的关系；图11的曲线图示出对于各个工作模式，空气过剩率λ和NOx排放量之间的关系。在曲线图中，进气冲程喷射、进气阀关闭后喷射和火花塞辅助的氢扩散喷射分别以实线、点划线和虚线来表示。从这些曲线图可以看出，在空气过剩率λ等于或大于2的情况下，有利的是选择诸如进气冲程喷射和进气阀关闭后喷射之类的氢均匀化的稀燃，这允许燃料被均匀地混合。但是，在空气过剩率λ小于2的情况下，考虑到净热效率和NOx排放量，有利的是采用火花塞辅助的氢扩散燃烧。
此实施例的氢发动机适于根据图4所示的图基于发动机负载来将三种工作模式中的任何一种切换为另一种。图12的曲线图示出对于各个工作模式，发动机负载和净热效率之间的关系；图13的曲线图示出对于各个工作模式，发动机负载和NOx排放量之间的关系。在这些曲线图中，进气冲程喷射、进气阀关闭后喷射以及火花塞辅助的氢扩散燃烧分别以实线、点划线和虚线来表示。从这些曲线图可知，当发动机负载处于较低区域时，发动机将以进气冲程喷射来工作。随着发动机负载增加至一定水平，进气冲程喷射工作将切换至进气阀关闭后喷射工作，这使得即使在比进气冲程喷射工作的负载高的区域内，也可以连续进行氢均匀化的稀燃。如果发动机负载进一步增加，则进气阀关闭后喷射工作将切换至火花塞辅助的氢扩散燃烧工作，由此即使在比氢均匀化的稀燃下的负载高的负载区域中，也可以使发动机以高效率来工作，并且能够将NOx排放抑制到低的水平。
如上所述，根据图4所示的图，通过将工作模式从三种工作模式(也就是进气冲程喷射工作、进气阀关闭后喷射工作和火花塞辅助的氢扩散燃烧工作)中的一种切换为另一种，此实施例的氢发动机能够在从低负载区域到高负载区域的较宽工作区域上保持高效率，并且还能够将NOx排放抑制到低的水平。
氢发动机的这些工作是由ECU 70来控制的，ECU 70还确定工作模式的转换。在此实施例的氢发动机中，根据图7所示流程图的例程来执行工作模式的转换。
在步骤S100(其是图7所示例程的第一步骤)处，获取当前时刻的发动机转速和加速器开度。电子控制单元70基于发动机转速和加速器开度来计算发动机负载(负载系数)。
在步骤S102处，确定当前工作状态属于图4所示图中的哪个工作区域，当前工作状态是基于在步骤S100处获取的发动机转速和在步骤S100处计算的发动机负载得到的。从图4所示的图中可以看出，如果发动机在低负载区域或者中等负载区域运行，则选择氢均匀化的稀燃工作(步骤S104)。另一方面，如果发动机在高负载区域运行，则选择火花塞辅助的氢扩散燃烧工作(步骤S114)。
在选择了氢均匀化的稀燃工作的情况下，再次确定发动机工作负载(步骤S106)。如果发动机在选择了氢均匀化的稀燃工作的工作区域中的较低负载侧(也就是在能够通过进气冲程喷射而将空气过剩率λ保持为等于或大于2的工作区域中)工作，则氢喷射的持续时间被设定为具有如图5中的上部所示的时间，然后通过进气冲程喷射来进行氢均匀化的稀燃工作(步骤S108)。
另一方面，如果发动机在选择了氢均匀化的稀燃工作的工作区域中的较高负载侧(也就是在不能通过进气冲程喷射来将空气过剩率λ保持为等于或大于2的工作区域)工作，则氢喷射正时被延迟并且氢喷射的持续时间被设定为具有如图5中的下部所示的时间(步骤S110)。然后，通过进气阀关闭后喷射来进行氢均匀化的稀燃工作(步骤S112)。
同时，在由于步骤S102处作出的判定而选择火花塞辅助的氢扩散燃烧工作的情况下，如图6所示，氢喷射的持续时间被设定为在从压缩TDC之前的时间延续到压缩TDC之后的时间的时间段上，并且与氢喷射的开始基本上同时地致动火花塞16(步骤S116)。
在此实施例中，通过ECU 70来执行图7所示的例程，由此实现根据本发明的第一和第三方面的“控制单元”。
接下来，将参考图14来描述本发明的第二实施例。
与第一实施例一样，此实施例的以氢为燃料的内燃机是使用氢作为气态燃料的氢发动机。图14示意性地示出此实施例的氢发动机，其中与图1所示的氢发动机中相同的部件用相同的参考标号来表示。以下，与第一实施例中相同的部件的多余描述将被省略或者简化。
如图14所示，除了布置在燃烧室10中的缸内喷射阀40外，此实施例的氢发动机还包括设置在进气管路20上(更具体地说是布置在进气口上)的进气口喷射阀50。在此实施例中，从氢供应装置42延伸的氢供应管46在泵44的下游侧处分叉为两个分支，其中一个分支连接到缸内喷射阀40，另一个分支连接到进气口喷射阀50。在氢供应管46的通向进气口喷射阀50的分支上设有用于降低氢的压力的调节器48。类似于缸内喷射阀40，进气口喷射阀50的致动由ECU 70来控制。
根据图14所示的布置，氢可以通过缸内喷射阀40的致动而直接喷入燃烧室10中，还可以通过进气口喷射阀50的致动而喷入进气口中。与将氢直接喷入燃烧室10中相比，将氢喷入到进气口中导致从喷射到燃烧的时间延迟，因此，氢与空气的混合相应地加快。
与第一实施例中一样，此实施例的氢发动机适于基于图4所示的图选择发动机工作模式中的一种，并且根据图7所示的例程来执行发动机工作模式的转换。因为在此实施例中氢可以喷入到进气口中，所以在氢均匀化的稀燃工作的进气冲程喷射工作中，代替致动缸内喷射阀40，进气口喷射阀50被致动。换言之，此实施例的氢发动机在进气冲程喷射工作中使用进气口喷射阀50，但是在进气阀关闭后喷射工作和火花塞辅助的氢扩散燃烧工作过程中致动缸内喷射阀40。
根据工作模式而选择性地使用喷射阀使得在能够在进气冲程中喷射氢的工作区域中，能够进一步提高发动机效率和排放控制。在图1所示的氢发动机中，需要一直保持氢的高压力，因此在增加氢的压力时消耗了大量的能量。相反，如果如在此实施例中一样附加地使用进气口喷射阀50，则在中等负载工作区域中，氢的压力可以降低至低的水平，并且供应至泵44的能量可以相应地减少。此外，在高压罐被用作氢供应装置42并且调节器用于代替图1所示氢发动机中的泵44的情况下，不能使用压力低于缸内喷射阀40的喷射压力的氢。相反，根据此实施例的氢发动机，氢的压力可以减小至进气口喷射阀50的喷射压力的水平，并且相应地，可以以更有效的方式来使用高压罐中的氢。
在此实施例中，由图14中所示氢发动机的ECU 70来执行图7所示的例程，由此实现根据本发明第十二方面的“控制单元”。
以下，将参考图15来描述本发明的第三实施例。
与第一实施例中一样，此实施例的气体燃料内燃机是使用氢作为气态燃料的氢发动机。此实施例的氢发动机具有如图1或14所示的构造，并且适于基于图4所示的图来选择其工作模式。此实施例与第一实施例的不同在于切换工作模式的例程。
在此实施例中，根据图15所示的例程来执行发动机工作模式的转换，其中，与图7的例程中相同的处理任务用相同的步骤标号来表示。
在步骤S120(其是图15所示例程的第一步骤)处，获取当前时刻的发动机转速和加速器开度。ECU 70基于发动机转速和加速器开度来计算发动机负载(负载系数)。在步骤S120处获取的还有当前时刻的氢供应量和进气量。氢供应量可以通过使用设置在氢供应管46上的氢流量计(未示出)来测量。ECU 70基于氢供应量和进气量来计算空气过剩率λ。
在步骤S102处，判定当前工作状态属于图中的哪个工作区域。如果发动机在低负载区域或者中等负载区域运行，则选择氢均匀化的稀燃工作(步骤S104)。另一方面，如果发动机在高负载区域运行，则选择火花塞辅助的氢扩散燃烧工作(步骤S114)。
在选择火花塞辅助的氢扩散燃烧工作的情况下，如图6所示，氢喷射的持续时间被设定为在从压缩TDC之前的时间到压缩TDC之后的时间的时间段上延续，并且与氢喷射的开始基本上同时地致动火花塞16(步骤S116)。
如果根据步骤S102处的判定而选择氢均匀化的稀燃工作，则然后判定空气过剩率λ是否大于2(步骤S122)。如果判定表明λ大于2，则氢喷射的持续时间被设定为具有如图5中的上部所示的时间，然后通过进气冲程喷射来进行氢均匀化的稀燃工作(步骤S108)。
在进气冲程喷射被选择为发动机工作模式的同时，继续执行步骤S122处的判定。如果判定表明λ等于或者小于2，则氢喷射正时被延迟并且氢喷射的持续时间被设定为具有如图5中的下部所示的时间(步骤S110)。然后，通过进气阀关闭后喷射来进行氢均匀化的稀燃工作(步骤S112)。
此外，在此例程中，在步骤S112处的处理之后，判定空气过剩率λ是否大于2(步骤S124)。如果λ被判定为大于2，则继续通过进气阀关闭后喷射来进行氢均匀化的稀燃工作。在进气阀关闭后喷射被选择为发动机工作模式的同时，继续执行步骤S124处的判定。如果判定表明λ等于或者小于2，则流程进行至步骤S114，在这里，工作模式从氢均匀化的稀燃工作切换至火花塞辅助的氢扩散燃烧工作。
根据上述的例程，在选择了氢均匀化的稀燃工作的工作区域中，根据实际的空气过剩率λ是否大于2来执行从氢均匀化的稀燃工作向火花塞辅助的氢扩散燃烧工作的转换。换言之，即使在发动机工作属于如图4的图所示进气冲程喷射工作的区域时，如果空气过剩率λ不能保持为大于2，则进气冲程喷射工作被强行转换到进气阀关闭后喷射工作。这使得在氢均匀化的稀燃工作期间可以一直保持空气过剩率λ大于2。
此外，在上述例程中，即使在发动机工作属于如图4的图所示的进气阀关闭后喷射工作的区域时，如果通过向进气阀关闭后喷射工作的转变仍然不能保持空气过剩率λ大于2，则将进气阀关闭后喷射工作强行转变为火花塞辅助的氢扩散燃烧工作。这使得可以应付细微的环境变化(例如大气或燃料压力的变化)，从而主动避免可能由于快速燃烧而引起的发动机效率的降低和排放控制的劣化。
在此实施例中，图15所示的例程是由ECU 70来执行的，由此实现了根据本发明第四方面的“控制单元”。
接下来，将参考图16来描述本发明的第四实施例。
与第一实施例中一样，此实施例的气体燃料内燃机是使用氢作为气态燃料的氢发动机。此实施例的氢发动机具有如图1或14所示的构造，并且适于基于图4所示的图来选择其工作模式。此实施例与第一实施例的不同在于切换工作模式的例程。
在此实施例中，根据图16所示的例程来执行发动机工作模式的转换，其中，与图7或图15所示例程中相同的处理任务用相同的步骤标号来表示。
在步骤S120(其是图16所示例程的第一步骤)处，获取当前时刻的发动机转速和加速器开度。ECU 70基于发动机转速和加速器开度来计算发动机负载(负载系数)。在步骤S120处获取的还有当前时刻的氢供应量和进气量。ECU 70基于氢供应量和进气量来计算空气过剩率λ。
在步骤S102处，判定当前工作状态属于图中的哪个工作区域。如果发动机在低负载区域或者中等负载区域运行，则选择氢均匀化的稀燃工作(步骤S104)。另一方面，如果发动机在高负载区域运行，则选择火花塞辅助的氢扩散燃烧工作(步骤S114)。
在选择火花塞辅助的氢扩散燃烧工作的情况下，如图6所示，氢喷射的持续时间被设定为在从压缩TDC之前的时间到压缩TDC之后的时间的时间段上延续，并且与氢喷射的开始基本上同时地致动火花塞16(步骤S116)。
如果根据步骤S102处的判定结果而选择氢均匀化的稀燃工作，则在步骤S126处判定空气过剩率λ是否大于2。在步骤S126处，还判定缸内压力上升率是否低于预定阈值。根据发动机的工作环境或状态，即使空气过剩率λ大于2，也存在氢快速且猛烈燃烧的可能性。该快速燃烧导致缸内压力迅速增加，这意味着通过测量缸内压力上升率可以判定缸内是否发生快速燃烧。上述的阈值作为用于判定是否发生快速燃烧的标准。设置在燃烧室10中的压力传感器(未示出)测量缸内压力。可替换地，如果由爆燃传感器76检测到爆燃的发生，则可以认为缸内压力上升率已超过了阈值。这是因为诸如爆燃之类的振动将在发生快速燃烧时产生。
如果步骤S126处的判定表明空气过剩率λ大于2并且缸内压力上升率小于阈值，则判定没有发生快速燃烧。在这种情况下，氢喷射的持续时间被设定为具有如图5中的上部所示的时间，然后通过进气冲程喷射来进行氢均匀化的稀燃工作(步骤S108)。
在进气冲程喷射工作被选择为发动机工作模式的同时，继续执行步骤S126处的判定。如果判定表明表明空气过剩率λ等于或者小于2或者缸内压力上升率等于或者大于阈值，则认为在进气冲程喷射下快速燃烧是不可避免的。在这种情况下，氢喷射正时被延迟并且氢喷射的持续时间被设定为具有如图5中的下部所示的时间(步骤S110)。然后，通过进气阀关闭后喷射来进行氢均匀化的稀燃工作(步骤S112)。
在步骤S112处的处理之后，在此例程中判定空气过剩率λ是否大于2以及缸内压力上升率是否小于基准值(步骤S128)。如果空气过剩率λ大于2并且缸内压力上升率小于基准值，则判定为能够通过进气阀关闭后喷射来避免快速燃烧。因此，在这种情况下，继续通过进气阀关闭后喷射来进行氢均匀化的稀燃工作。
在进气阀关闭后喷射工作被选择为发动机工作模式的同时，继续执行步骤S128处的判定。如果判定表明空气过剩率λ等于或者小于2或者缸内压力上升率等于或者大于基准值，则认为在进气阀关闭后喷射下不可避免地要发生快速燃烧。在这种情况下，流程进行至步骤S114，在这里，工作模式从氢均匀化的稀燃工作切换至火花塞辅助的氢扩散燃烧工作。
根据此实施例的上述例程，在选择了氢均匀化的稀燃工作的工作区域中，根据实际的空气过剩率λ是否大于2以及缸内压力上升率是否小于阈值来执行从进气冲程喷射向进气阀关闭后喷射的转换。换言之，即使在发动机工作属于如图4的图所示的进气冲程喷射工作的区域时，如果空气过剩率λ不能保持为大于2，则进气冲程喷射工作被强行转换到进气阀关闭后喷射工作。此外，即使在空气过剩率λ大于2时，如果缸内压力上升率变得等于或者大于基准值，则进气冲程喷射工作被强行转换到进气阀关闭后喷射工作。这使得能够主动地避免快速燃烧的发生。
根据如上所述的本此实施例的过程例程，即使在发动机工作属于如图4的图所示的进气阀关闭后喷射工作的区域时，如果通过向进气阀关闭后喷射工作的转变仍然不能保持空气过剩率λ大于2或者如果即使在空气过剩率λ大于2时也不能使缸内压力上升率变得等于或者大于阈值，则将进气阀关闭后喷射工作强行转变为火花塞辅助的氢扩散燃烧工作。这使得可以应付细微的环境变化(例如大气或燃料压力的变化)，从而主动避免可能由于快速燃烧而引起的发动机效率的降低和排放控制的劣化。
在此实施例中，图16所示的例程是由ECU 70来执行的，由此实现了根据本发明第五方面的“控制单元”。
接下来，将参考图17至19来描述本发明的第五实施例。
与第一实施例中一样，此实施例的气体燃料内燃机是使用氢作为气态燃料的氢发动机。第五实施例的氢发动机具有如图1或图14所示的构造。根据图1或图14所示的氢发动机，通过在压缩冲程期间(特别是在压缩冲程的中期和后期)致动缸内喷射阀40以喷射氢，可以使得氢与空气形成分层混合物，尤其是喷射引导的(spray-guided)分层混合物。分层混合物的燃烧(也就是分层燃烧)可以以比氢均匀化的稀燃更稀的空燃比来进行，由此使得可以提高燃料经济性。以下，以稀空燃比进行的氢的分层燃烧将被称作“氢分层稀燃”。
此实施例与第一实施例的不同在于选择发动机工作模式的图。根据第五实施例，基于图17所示的图来选择发动机工作模式。该图是多维图，其轴线表示发动机负载和发动机转速。图17的图与图4的图的不同在于，在氢被以稀的空燃比预混合并燃烧的工作区域的极低负载区域中，选择氢分层稀燃来代替氢均匀化的稀燃。随着发动机负载增大并且由此氢喷射量增大，喷射的持续时间增大。这使得很难从物理上进行分层燃烧。因此，在发动机负载相对较高的工作区域中，停止氢分层稀燃工作，而代之以如图4的图一样选择氢均匀化的稀燃工作。
图18的时间图具体表示出在以稀空燃比进行氢预混合燃烧期间，也就是在氢稀燃工作(稀预混合燃烧工作)期间，喷射正时相对于缸内压力的波形的关系。在图18中，术语“喷射持续时间”(在括号中以“压缩冲程喷射”来注解)表示在氢分层稀燃中的喷射持续时间，其中喷射持续时间相对于压缩TDC提前30-60度。尽管未示出，点火正时被设定在压缩TDC附近，使得有足够的时间来允许氢与空气形成分层混合物。在选择氢分层稀燃情况下的喷射正时与图5的时间图所示的情况相同。因此，这里将不再描述。
在此实施例中，根据图19所示的例程来执行发动机工作模式的转换，其中，与图7所示例程中相同的处理任务的用相同的步骤标号来表示。
在步骤S100(其是图19所示例程的第一步骤)处，获取当前时刻的发动机转速和加速器开度。然后，基于发动机转速和加速器开度来计算发动机负载(负载系数)。在步骤S102处，判定当前工作状态属于图中的哪个工作区域。如果发动机在低负载区域或者中等负载区域中运行，则选择氢稀燃工作(步骤S130)。另一方面，如果发动机在高负载区域运行，则选择火花塞辅助的氢扩散燃烧工作(步骤S114)。
在选择火花塞辅助的氢扩散燃烧工作的情况下，如图6所示，氢喷射的持续时间被设定为在从压缩TDC之前的时间到压缩TDC之后的时间的时间段上延续，并且与氢喷射的开始基本上同时地致动火花塞16(步骤S116)。
在选择氢稀燃工作的情况下，再次判定发动机在哪个负载区域中运行(步骤S132)。如果发动机在选择了氢稀燃工作的工作区域的极低负载区域中运行，则氢喷射的持续时间被设定为具有如图18中的上部所示的时间，然后通过压缩冲程喷射来进行氢分层稀燃工作(步骤S134)。
在工作区域的比上述极低负载区域的负载高的区域中，选择氢均匀化的稀燃而不是氢分层稀燃作为发动机工作模式。如果发动机在选择了氢均匀化的稀燃工作的工作区域的较低负载区域中运行，也就是在能够通过进气冲程喷射将空气过剩率λ保持为等于或大于2的工作区域中，则氢喷射的持续时间被设定为具有如图18中的中部所示的时间，然后通过进气冲程喷射来进行氢均匀化的稀燃工作(步骤S108)。
如果发动机在选择了氢均匀化的稀燃工作的工作区域的较高负载区域中运行，也就是在不能通过进气冲程喷射将空气过剩率λ保持为等于或大于2的工作区域中，则氢喷射正时被延迟且氢喷射的持续时间被设定为具有如图18中的曲线下方的下部区域所示的时间(步骤S110)，然后通过进气阀关闭后喷射来进行氢均匀化的稀燃工作(步骤S112)。
在此实施例中，图19所示的例程是由电子控制单元70来执行的，由此实现了根据本发明第十三方面的“控制单元”。
接下来，将参考图20至22来描述本发明的第六实施例。
在火花塞辅助的氢扩散燃烧工作中，氢喷射和点火基本上同时发生，并且继续向首先被点燃的火焰喷射氢。由于此原因，氢的燃烧持续时间最短等于从缸内喷射阀40喷射氢的时间段。尤其是，在高负载区域中，与燃料喷射量的增加成比例，燃烧持续时间显著延长，这阻碍了理想的燃烧并增加了排放损耗。
与在第一实施例中一样，此实施例的气体燃料内燃机是使用氢作为气态燃料的氢发动机。此实施例的氢发动机可以具有如图1或图14所示的构造。在图1或图14所示的氢发动机中，通过每一个周期两次致动缸内喷射阀40，所需量的氢可以分两个阶段直接喷射到燃烧室10中。在此实施例中，这样的两阶段喷射应用到火花塞辅助的氢扩散燃烧中，并且在用于扩散燃烧的主喷射之前先行喷射一部分氢。这可以成比例地缩短主喷射的持续时间，由此避免燃烧时间的任何延长。以下，存在上述先行喷射的火花塞辅助的氢扩散燃烧将被特别称作“伴有先行喷射的火花塞辅助的氢扩散燃烧”。
此实施例与第一实施例的不同在于选择发动机工作模式的图。在此实施例中，通过使用图20所示的图来选择发动机工作模式。该图是多维图，其轴线分别表示发动机负载和发动机转数。图20的图与图4的图的不同在于，在执行火花塞辅助的氢扩散燃烧工作的工作区域的较高负载区域中，选择伴有先行喷射的火花塞辅助的氢扩散燃烧。
图21的时间图具体表示出在伴有先行喷射的火花塞辅助的氢扩散燃烧工作中，喷射正时和点火正时相对于缸内压力的波形的关系。在选择通常的火花塞辅助的氢扩散燃烧时的喷射正时和点火正时与图6的时间图所示的情况相同。因此，这里将不再描述。
如果选择了伴有先行喷射的火花塞辅助的氢扩散燃烧，则紧接在进气阀12关闭之后，首先先行喷射所需喷射量的氢的一部分。先行喷射的氢与空气在燃烧室10中混合以形成混合气。在这方面，氢的喷射量被设定为将混合气中的氢浓度保持为足够低，以确保在混合气到达火花塞16并与其接触时不会自燃。与在通常的火花塞辅助的氢扩散燃烧中一样，主喷射的正时被设定为延续经过压缩上止点。但是，与通常的火花塞辅助的氢扩散燃烧相比，主喷射的持续时间能够被缩短预先先行喷射的一部分氢所需的程度。
与通常的火花塞辅助的氢扩散燃烧一样，用于伴有先行喷射的火花塞辅助的氢扩散燃烧的点火正时可以被设定为与主喷射的开始一致或者可以略微滞后于主喷射的开始。但优选的是，如图21的时间图所示，在主喷射之前进行点火。先行喷射的氢和空气的混合物的点燃产生了用于引起扩散燃烧的引导火焰。这升高了主喷射时的缸内温度，由此确保了主喷射过程中喷射的氢能够被以更可靠的方式点燃。这可以减少未燃烧的氢的排放量。此外，如果一部分氢以此方式在扩散燃烧之前被燃烧，则可以抑制扩散燃烧过程中缸内压力的任何过度升高。
在此实施例中，根据图22所示的例程来执行发动机工作模式的转换，其中，与图7所示例程中相同的处理任务用相同的步骤标号来表示。图22中选择氢均匀化的稀燃工作之后的处理与图7所示的例程完全相同。因此，步骤S104之后的处理的图示被省略。以下，关于上面已经描述的处理任务的描述将被一起省略或者简化。
在步骤S150(其是图22所示例程的第一步骤)处，获取当前时刻的发动机转数和加速器开度。然后，基于发动机转数和加速器开度来计算发动机负载(负载系数)。在步骤S150处还获取当前时刻的氢喷射持续时间。氢喷射持续时间是由氢供应量和缸内喷射阀40的喷射压力来计算的。
在步骤S102处，判定当前工作状态属于图中的哪个工作区域。如果发动机在低负载区域或者中等负载区域中运行，则选择氢均匀化的稀燃工作(步骤S104)。另一方面，如果发动机在高负载区域运行，则选择火花塞辅助的氢扩散燃烧工作(步骤S114)。
在选择了火花塞辅助的氢扩散燃烧工作的情况下，判定氢喷射持续时间是否在预定阈值之上(步骤S152)。在图20所示的图中，选择伴有先行喷射的火花塞辅助的氢扩散燃烧的工作区域相当于其中氢喷射持续时间大于预定阈值的工作区域。另一方面，选择通常的火花塞辅助的氢扩散燃烧的工作区域相当于其中氢喷射持续时间等于或者低于预定阈值的工作区域。
如果步骤S152处作出的判定表明氢喷射持续时间等于或者小于预定阈值，则选择通常的火花塞辅助的氢扩散燃烧工作。在这种情况下，如图21中的上部区域所示，氢喷射持续时间被设定为在从压缩上止点之前的时间到压缩上止点之后的时间的时间段上延续，并且与氢喷射的开始基本上同时地致动火花塞16(步骤S154)。
同时，如果氢喷射持续时间被判定为在预定阈值之上，则选择伴有先行喷射的火花塞辅助的氢扩散燃烧工作。在这种情况下，如图21中的曲线下方的下部区域所示，先行喷射的持续时间被设定为紧接在进气阀12关闭之后开始，并且主喷射的持续时间被设定为在从压缩上止点之前的时间到压缩上止点之后的时间的时间段上延续。此外，在主喷射开始之前预先致动火花塞16(步骤S156)。
在此实施例中，图22所示的例程是由电子控制单元70来执行的，由此实现了根据本发明第六和第七方面的“控制单元”。
接下来，将参考图23至25来描述本发明的第七实施例。
与第一实施例中一样，此实施例的气体燃料内燃机是使用氢作为气态燃料的氢发动机。此实施例的氢发动机可以具有如图1或图14所示的构造，并适于通过使用图4所示的图来选择其工作模式。此实施例与第一实施例的不同在于在火花塞辅助的氢扩散燃烧工作过程中火花塞16的点火操作。
图23的时间图具体表示出在火花塞辅助的氢扩散燃烧工作期间，喷射正时和点火正时相对于生热速率的波形的关系。图23中的下部示意图示出了与第一实施例中相同的喷射正时和点火正时。如果喷射正时和点火正时被设定成如图23中的下部示意图所示，则基于火花塞16对所喷射氢气流的点燃来产生火焰，并且继续朝向火焰喷射氢。在该过程中，未能进入火焰的一部分氢被以未燃烧的方式排放。由于在氢喷射过程中火焰的状态不是一直均匀的，所以视情况而定，可能产生大量的未燃烧氢。随着氢喷射量的增加，也就是随着氢喷射持续时间的增长，未燃烧氢的量趋于增加。因此，与延长氢喷射持续时间一致，需要喷射略微更多的氢来补偿由于其未燃烧排放而造成的氢的预期损耗。
图23中的上部示意图示出此实施例中采用的喷射正时和点火正时。在此实施例中，在氢喷射的持续时间内，多次(在图23中是四次)致动火花塞16以点燃所喷射的氢气流。第一次点火是用于在扩散燃烧中形成锥状火焰，而第二以及随后的点火是补充点火。在氢喷射的持续时间中进行这样的补充点火允许氢更彻底地燃烧，由此减少了排放的未燃烧氢的量。氢喷射的持续时间可以与未燃烧氢的量的减少成比例地缩短。此外，从生热速率的波形可以看出，每次点火时能够比通常的火花塞辅助的氢扩散燃烧时更猛烈地产生热。这有助于缩短生热的整个时间，使得可以实现增矩燃烧。
在此实施例中，根据图24所示的例程来执行发动机工作模式的转换，其中与图7所示例程相同的处理任务用相同的步骤标号来表示。图24中选择氢均匀化的稀燃工作之后的处理与图7所示的例程相同。因此，将省略步骤S104之后的处理的图示。以下，关于上面已经描述的处理任务的描述将被一起省略或者简化。
在步骤S150(其是图24所示例程的第一步骤)处，获取当前时刻的发动机转数、加速器开度和氢喷射持续时间。然后，基于发动机转数和加速器开度来计算发动机负载(负载系数)。
在步骤S102处，判定当前工作状态属于图中的哪个工作区域。如果发动机在低负载区域或者中等负载区域中运行，则选择氢均匀化的稀燃工作(步骤S104)。另一方面，如果发动机在高负载区域中运行，则选择火花塞辅助的氢扩散燃烧工作(步骤S114)。
在选择了火花塞辅助的氢扩散燃烧工作的情况下，判定氢喷射持续时间是否在预定阈值之上(步骤S160)。如果判定氢喷射持续时间等于或者小于该阈值，则在图23的下部示意图所示的时刻处仅致动一次火花塞16以进行第一次点火(步骤S162)。但是，如果氢喷射持续时间被判定为大于该阈值，则在图23的上部示意图所示的时刻处多次致动火花塞16(步骤S164)，在这种情况下，可以任意设定致动火花塞的频率。
在上述的例程中，当氢喷射持续时间较短并且因此产生少量的未燃烧氢时，仅进行一次点火，这使得可以节约点火操作中消耗的能量。如果氢喷射持续时间增长，则多次致动火花塞16。这允许氢更彻底地燃烧，由此减少排放的未燃烧氢的量。
此外，视氢喷射持续时间而定，氢喷射过程中火花塞16的致动频率可以逐步增加。代替前述的例程，可以通过使用例如图25所示的例程来进行发动机工作模式的转换，其中，与图24所示例程相同的处理任务用相同的步骤标号来表示。
在图25所示的例程中，为了确定氢喷射持续时间的长度，准备第一基准值和第二基准值。第二基准值被设定为具有比第一基准值大的幅度。在已经根据步骤S102处的负载区域判定结果而选择了火花塞辅助的氢扩散燃烧工作的情况下，判定氢喷射持续时间是否大于第一阈值(步骤S166)。如果判定氢喷射持续时间等于或者小于第一阈值，则仅致动一次火花塞16以进行第一次点火(步骤S168)。但是，如果判定氢喷射持续时间大于第一阈值，则判定氢喷射持续时间是否大于第二阈值(步骤S170)。如果判定氢喷射持续时间等于或者小于第二阈值，则两次致动火花塞16(步骤S172)。如果判定氢喷射持续时间超过第二阈值，则致动火花塞16三次以上(步骤S174)。
以此方式与氢喷射持续时间成比例地增加火花塞致动频率有助于进一步节约用于点火过程的能量并确保氢的可靠点燃。
在此实施例中，由电子控制单元70来执行图24或图25所示的例程，由此实现本发明第八方面的“控制单元”。
接下来，将参考图26至29来描述本发明的第八实施例。
与第一实施例中一样，此实施例的气体燃料内燃机是使用氢作为气态燃料的氢发动机。此实施例的氢发动机可以通过用图26和27所示的构造来代替图1或图14所示氢发动机中的燃烧室10的周围构造来实现。图26示出从侧面观察的燃烧室10，图27示出从上面观察的燃烧室10。在图26和27中，与图1或图14所示氢发动机的部件相同的部件用相同的参考标号来表示。
如图26和27所示，此实施例的氢发动机设置有三个(也就是第一至第三)火花塞16、60和62。与第一实施例中一样，第一火花塞16布置在燃烧室10的顶端上。缸内喷射阀40布置在燃烧室10的侧壁部分上，并使得其喷射孔定向成能够朝向第一火花塞16喷射氢。第二火花塞60布置在缸内喷射阀40上方，并且第三火花塞62布置成与缸内喷射阀40沿直径相对。如图27最好地示出，缸内喷射阀40和三个火花塞16、60、62布置在共同的直线上，使得从缸内喷射阀40喷射的氢气流能够顺次运动经过第二火花塞60、第一火花塞16和第三火花塞62。类似于第一火花塞16，第二火花塞60和第三火花塞62的致动由电子控制单元70来控制。
在图26和27所示的构造中，三个火花塞60、16和62沿着所喷射氢气流的路径布置。这使得在火花塞辅助的氢扩散燃烧工作过程中，可以在三个位置处(也就是所喷射氢气流的上游、中游和下游位置处)点燃所喷射的氢气流。以下将参考图28A、28B和28C来描述在进行火花塞辅助的氢扩散燃烧工作过程中，火花塞60、16和62的具体点火操作。
参考图28A，基本上在从缸内喷射阀40喷射氢的同时，首先致动与缸内喷射阀40相邻的第二火花塞60。所喷射的氢气流通过这样的火花塞致动来点燃，并且因此如图28B所示在第二火花塞60周围发生扩散燃烧。但是，此时，一部分氢通常保持未燃烧状态并且形成朝向下游侧移动的未燃烧氢气流。在这种情况下，如图28B所示，当所喷射的氢气流到达位于中央的第一火花塞16时，与此同时致动第一火花塞16。未燃烧的氢通过第一火花塞16的致动而被点燃，并且因此如图28B所示在第一火花塞16周围发生扩散燃烧。在该点燃过程之后，通常，一部分氢仍然未燃烧，并且因此作为未燃烧的氢气流朝向下游侧移动。考虑到此，如图28C所示，当所喷射的氢气流到达位于下游最远侧的第三火花塞62时，与此同时致动第三火花塞62。
在相互之间存在相差的情况下这样顺序致动三个火花塞60、16和62，能够确保氢的更可靠点燃，由此能够以可靠的方式建立初始出现的火焰并且能够持续随后的扩散燃烧而不会发生故障。这使得在火花塞辅助的氢扩散燃烧工作中可以减少未燃烧氢的排放量。
当发动机负载较高并且大量喷射氢时最容易产生未燃烧的氢。因此，不同于三个火花塞60、16和62被全部致动的上述情况，如果发动机负载较低并且如果喷射相对较少量的氢，则仅致动位于缸内喷射阀40附近的火花塞60和位于中央的火花塞16就认为可以充分燃烧了。还认为，如果氢喷射量较小，则仅致动位于缸内喷射阀40附近的火花塞60就可以充分燃烧。为了避免不必要的点火操作并且因此节约能量同时可靠地抑制未燃烧氢的产生，就需要视发动机负载而定来改变点火位置的数量，如上所述。
在此实施例中，根据图29所示的例程来执行发动机工作模式的转换，其中与图7所示例程相同的处理任务用相同的步骤标号来表示。图29中选择氢均匀化的稀燃工作之后的处理与图7所示的例程中完全相同。因此，将省略步骤S104之后的处理的图示。以下，关于上面已经描述的处理任务的描述将被一起省略或者简化。
在步骤S100(其是图29所示例程的第一步骤)处，获取当前时刻的发动机转数和加速器开度。基于发动机转数和加速器开度来计算发动机负载(负载系数)。
在步骤S102处，判定当前工作状态属于图中的哪个工作区域。如果发动机在低负载区域或者中等负载区域中运行，则选择氢均匀化的稀燃工作(步骤S104)。另一方面，如果发动机在高负载区域运行，则选择火花塞辅助的氢扩散燃烧工作(步骤S114)。
在选择火花塞辅助的氢扩散燃烧工作的情况下，在步骤S180处根据发动机负载(负载系数)来计算最佳的点火位置数。更具体而言，随着发动机负载增加，将点火位置数依次从一个(由第二火花塞60进行的第一次点火)增加至两个(增加由第一火花塞16进行的第二次点火)以及进一步增加至三个(进一步增加由第三火花塞62进行的第三次点火)。
在步骤S182处，在压缩上止点之前和之后喷射氢，同时，对应于最佳点火位置数来执行火花塞致动。此时，在多次致动火花塞的情况下，从所喷射氢气流的上游侧到下游侧，顺次致动各火花塞，在它们之间留有相差。
尽管在图29所示的例程中进行了省略，但是在氢均匀化的稀燃工作时，与第一实施例一样，使用布置在中央的火花塞16。所有的火花塞16、60和62可以被一次致动以保持超稀燃烧。
与第五实施例一样，当在极低的负载下选择氢分层稀燃工作时也使用第一火花塞16。可替换地，为了确保氢和空气的混合时间增加，距离缸内喷射阀40最远的第三火花塞62可以代替第一火花塞16而被致动。
在此实施例中，图29所示的例程由图26和27所示的氢发动机的电子控制单元70来执行，由此实现了本发明的第九方面的“控制单元”。
接下来，将参考图30来描述本发明的第九实施例。
与第一实施例中一样，此实施例的气体燃料内燃机是使用氢作为气态燃料的氢发动机。此实施例的氢发动机是通过用图30所示的构造来代替图1或图14所示氢发动机中的燃烧室10的周围构造来实现的。图30示出了从顶部观察的燃烧室10。在图30中，与图1或图14所示的氢发动机的那些部件相同的部件将用类似的参考标号来表示。
如图30所示，此实施例的氢发动机包括布置在燃烧室10的侧壁部分上的缸内喷射阀40。除了布置在燃烧室10的顶端上的火花塞16，两个火花塞64和64以将火花塞16布置在它们之间的方式设置在燃烧室10的顶部侧面上。三个火花塞16、64和64布置成基本上与缸内喷射阀40的末端等距离。缸内喷射阀40具有三个喷射孔，氢通过这三个喷射孔同时喷向各个火花塞16、64和64。类似于火花塞16，火花塞64和64的致动由电子控制单元70来控制。
在图30所示的构造中，在火花塞辅助的氢扩散燃烧工作过程中，所需量的氢被分开在三个方向上喷射，使得在燃烧室10中的三个位置处发生扩散燃烧。这减少了分配到各个火花塞的氢喷射量，由此确保了氢的积极燃烧并降低了未燃烧氢的排放。因为各个火花塞16、64和64定位成距离缸内喷射阀40相同的距离，所喷射的氢气流几乎同时被点燃。此外，在各个方向上喷射相同量的氢能够使各个燃烧位置处的生热量基本相同。这确保了均匀的燃烧并降低了波动。
接下来，将参考图31来描述本发明的第十实施例。
与第一实施例中一样，此实施例的气体燃料内燃机是使用氢作为气态燃料的氢发动机。在根据此实施例的氢发动机中，用图31所示的构造来代替图1或图14所示氢发动机中的燃烧室10的周围构造。图31示出了从顶部观察的燃烧室10。在图31中，与图1或图14所示的氢发动机的那些部件相同的部件用类似的参考标号来表示。
如图31所示，与作为第一实施例的变型的图3的构造一样，此实施例的氢发动机包括布置在燃烧室10的顶端部分上的缸内喷射阀40和火花塞16。缸内喷射阀40布置在燃烧室10的顶端部分的中央，而火花塞16以偏移的关系紧邻缸内喷射阀40布置。此外，四个火花塞66沿着假想的圆以等间隔布置在燃烧室10的顶部侧面上，该假想的圆的中心与缸内喷射阀40的中心轴线一致。一个火花塞66位于从缸内喷射阀40延伸穿过火花塞16的直线上。缸内喷射阀40具有四个喷射孔，氢通过这四个喷射孔径向向外喷向四个火花塞66。类似于火花塞16，火花塞66的致动由电子控制单元70来控制。
在图31所示的构造中，火花塞16紧靠缸内喷射阀40，当通过与氢的喷射基本上同时致动火花塞16来进行火花塞辅助的氢扩散燃烧工作时，可以在缸内喷射阀40的紧邻处形成火焰。此外，由于火花塞66被布置成与氢喷射方向对齐，因此可以主动点燃未被中心火焰扩散燃烧的部分氢。此外，因为氢被分散喷向火花塞66，所以可以确保氢的积极燃烧并降低了未燃烧氢的排放。
此外，在图31所示的构造中，从布置在燃烧室10的顶端部分处的缸内喷射阀40沿径向向下分散喷射氢。这允许在氢均匀化的稀燃工作中使氢与空气均匀地混合。
尽管已经参考实施例示出并描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种变化和变型。例如，任意一个实施例中的特征性构造和控制可以与其他实施例中的特征性构造和控制进行结合使用。以一个具体的示例来说，第六实施例的伴有先行喷射的火花塞辅助的氢扩散燃烧可以与第七实施例的多次点火方法进行结合。在这种情况下，在先行喷射之后并且在主喷射之前进行一次点火。在主喷射进行时还可以进行多次点火。由于通过最早的点燃来燃烧先行喷射部分的氢，这确保了能够使高温气氛在燃烧室中扩展。在高温气氛下进行主喷射使得可以以降低的点火操作频率来可靠地点燃氢，并且由此适当地节约用在点火操作中的能量。
尽管火花塞用在前述实施例中作为点燃所喷射的氢气流以进行扩散燃烧的点火装置，但是可以想到，除了火花塞也可以设置预热塞(电热塞，glow plug)，并且可以通过预热塞来执行点火。换言之，预热塞可以用作扩散燃烧工作中的点火装置，而火花塞可以以传统方式用作稀预混合燃烧工作中的点火装置。
此外，尽管在前述实施例中本发明应用于氢发动机，但是也可以将本发明应用于使用氢以外的气态燃料的气体燃料内燃机。在氢的情况下，如果空气过剩率变得大于2，则燃烧迅速发生。但是，空气过剩率的阈值(在该阈值之下，燃烧变得剧烈)随着气态燃料的成分而变化。因此，在本发明应用于氢发动机以外的其他气体燃料内燃机时，可以基于待使用的具体气态燃料的成分来限定阈值。然后，在空气过剩率不能保持为等于或者大于该阈值的工作区域中，可以选择稀预混合燃烧工作；而在可以将空气过剩率保持为等于或者大于该阈值的工作区域中，可以选择扩散燃烧工作。

Claims (20)

1.一种用氢气作为气态燃料工作的气体燃料内燃机，包括：用于将所述气态燃料直接喷射到燃烧室(10)内的缸内喷射阀(40)；沿着从所述缸内喷射阀(40)喷射的所述气态燃料的喷流路径设置的点火装置(16；60；62；64；66)；以及控制单元(70)，所述控制单元用于控制所述点火装置(16；60；62；64；66)的工作正时和所述缸内喷射阀(40)的工作正时，以使从所述缸内喷射阀喷射的所述气态燃料的燃烧类型在预混合燃烧和扩散燃烧之间切换，所述气体燃料内燃机的特征在于：
所述控制单元(70)基于氢供应量和进气量来计算空气过剩率；以及当所述内燃机在所述空气过剩率能够保持为等于或大于2的工作区域内工作时，所述控制单元(70)选择用于使所述气态燃料以稀空燃比预混合并燃烧的稀预混合燃烧工作作为所述内燃机的工作模式，而当所述内燃机在所述空气过剩率不能保持为等于或大于2的工作区域内工作时，所述控制单元选择用于使所述气态燃料扩散燃烧的扩散燃烧工作作为所述内燃机的工作模式。
2.根据权利要求1所述的气体燃料内燃机，还包括用于获取空气过剩率的装置，
其中，在所述稀预混合燃烧工作期间，当所述空气过剩率低于预定阈值时，所述控制单元(70)将所述内燃机的工作模式切换为所述扩散燃烧工作。
3.根据权利要求2所述的气体燃料内燃机，还包括用于获取缸内压力上升率的装置，
其中，在所述稀预混合燃烧工作期间，当所述缸内压力上升率高于预定阈值时，所述控制单元(70)将所述内燃机的工作模式切换为所述扩散燃烧工作。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的气体燃料内燃机，其中，在进行所述扩散燃烧工作期间，所述控制单元(70)在气态燃料从所述缸内喷射阀(40)喷射的同时致动所述点火装置(16)。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的气体燃料内燃机，其中，在进行所述扩散燃烧工作期间，所述控制单元(70)将气态燃料喷射的持续时间设定为从压缩TDC之前的时间延续至压缩TDC之后的时间的时间段，并且与所述气态燃料喷射的开始同时致动所述点火装置(16)。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的气体燃料内燃机，其中，在进行所述扩散燃烧工作期间，所述控制单元(70)先行喷射一部分气态燃料，并且在所述先行喷射的气态燃料与空气混合的氛围中进行用于扩散燃烧的主喷射，其中，先行喷射的气态燃料量是由所需的负载来决定的。
7.根据权利要求6所述的气体燃料内燃机，其中，在进行所述先行喷射之后并且在所述主喷射之前，所述控制单元(70)致动所述点火装置(16)。
8.根据权利要求6所述的气体燃料内燃机，其中，在进行所述扩散燃烧工作的工作区域的高负载区域内，所述控制单元(70)进行所述先行喷射。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的气体燃料内燃机，其中，当进行所述扩散燃烧工作时，视气态燃料喷射时间段而定，所述控制单元(70)在气态燃料喷射过程中附加地致动所述点火装置(16)。
10.根据权利要求9所述的气体燃料内燃机，其中，视所述气态燃料喷射时间段而定，所述控制单元(70)逐步增加所述点火装置(16)的致动频率。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的气体燃料内燃机，其中：
所述点火装置(16)配置在所述燃烧室(10)的顶端处；并且
所述缸内喷射阀(40)配置在所述燃烧室(10)的侧壁上，使得所述缸内喷射阀(40)的喷射孔定向为朝向所述点火装置(16)喷射气态燃料。
12.根据权利要求1至3中任一项所述的气体燃料内燃机，其中：
所述点火装置(16)和所述缸内喷射阀(40)都配置在所述燃烧室(10)的顶端处；并且
所述缸内喷射阀(40)的喷射孔定向为确保气态燃料的喷流经过所述点火装置(16)的末端。
13.根据权利要求1至3中任一项所述的气体燃料内燃机，其中：
沿着从所述缸内喷射阀(40)喷射的所述气态燃料的喷流路径设置有多个点火装置(16，60，62)；并且
当进行所述扩散燃烧工作时，所述控制单元(70)同时致动所述多个点火装置(16，60，62)或者按照相对于所述缸内喷射阀(40)的距离从最近到最远的顺序以相差依次致动所述多个点火装置。
14.根据权利要求1至3中任一项所述的气体燃料内燃机，其中，所述缸内喷射阀(40)构造成在多个方向上喷射所述气态燃料，并且所述气体燃料内燃机设置有多个点火装置，所述多个点火装置(16，64，66)中的各个点火装置与所述缸内喷射阀(40)的相应喷射方向对准。
15.根据权利要求14所述的气体燃料内燃机，其中，所述多个点火装置(16，64)从所述缸内喷射阀(40)的末端开始以相等的距离设置。
16.根据权利要求14所述的气体燃料内燃机，其中：
所述缸内喷射阀(40)配置在所述燃烧室(10)的顶部的中央处；
所述多个点火装置中的一个点火装置(16)以偏移的关系紧邻所述缸内喷射阀(40)定位；并且
所述多个点火装置中的其他点火装置(66)沿着假想圆设置，所述假想圆的圆心与所述缸内喷射阀(40)的中心轴线一致。
17.根据权利要求1至3中任一项所述的气体燃料内燃机，其中，在进行所述稀预混合燃烧工作的工作区域的低负载区域内，所述控制单元(70)允许所述缸内喷射阀(40)在进气阀(12)关闭之前喷射所述气态燃料，而在进行所述稀预混合燃烧工作的工作区域的高负载区域内，所述控制单元(70)允许所述缸内喷射阀(40)紧接在所述进气阀(12)关闭之后喷射所述气态燃料。
18.根据权利要求1至3中任一项所述的气体燃料内燃机，还包括用于将所述气态燃料喷射到进气口内的进气口喷射阀(50)，
其中，在进行所述稀预混合燃烧工作的工作区域的低负载区域内，所述控制单元(70)允许所述进气口喷射阀(50)在进气阀(12)关闭之前喷射所述气态燃料，而在所述工作区域的高负载区域内，所述控制单元(70)允许所述缸内喷射阀(40)紧接在所述进气阀(12)关闭之后喷射所述气态燃料。
19.根据权利要求1至3中任一项所述的气体燃料内燃机，其中，在进行所述稀预混合燃烧工作的工作区域的极低负载区域内，所述控制单元(70)允许所述缸内喷射阀(40)在压缩冲程的过程中喷射所述气态燃料，以使所述气态燃料能够经历分层燃烧，而在所述极低负载区域以上的工作区域内，所述控制单元(70)允许所述缸内喷射阀(40)在进气冲程的过程中或在所述压缩冲程开始时喷射所述气态燃料，以使所述气态燃料能够经历均质燃烧。
20.一种用氢气作为气态燃料工作的气体燃料内燃机的控制方法，所述内燃机包括用于将所述气态燃料直接喷射到燃烧室(10)内的缸内喷射阀(40)，以及沿着从所述缸内喷射阀(40)喷射的所述气态燃料的喷流路径设置的点火装置(16；60；62；64；66)，所述方法包括：
控制所述点火装置(16；60；62；64；66)的工作正时和所述缸内喷射阀(40)的工作正时，以使从所述缸内喷射阀喷射的所述气态燃料的燃烧类型在预混合燃烧和扩散燃烧之间切换；以及
基于氢供应量和进气量来计算空气过剩率，
其中，当所述内燃机在所述空气过剩率能够保持为等于或大于2的工作区域内工作时，选择用于使所述气态燃料以稀空燃比预混合并燃烧的稀预混合燃烧工作作为所述内燃机的工作模式，而当所述内燃机在所述空气过剩率不能保持为等于或大于2的工作区域内工作时，选择用于使所述气态燃料扩散燃烧的扩散燃烧工作。
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