CN101387229B - 使用氢的双燃料发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及使用氢的双燃料发动机。公开一种从以氢作为燃料供应给发动机到以另一种燃料供应给发动机进行切换的方法。另一种燃料可以是例如汽油、汽油和醇类混合物、或气态燃料。因为更好的空气利用，且另一种燃料占据较少的燃烧室空间，另一种燃料具有比氢提供更高的BMEP的能力。因为燃烧氢的期望的当量比在0.5或更少，而燃烧另一种燃料的期望的当量比在1.0，当BMEP的需求导致从氢燃料到另一种燃料的改变时，减少供应到发动机的空气的量以提供更大的扭矩或相反。在切换期间启动液态燃料供应，可以期望继续提供一些氢，不稀于0.1的氢当量比。

Description

使用氢的双燃料发动机
技术领域
本发明公开了操作以氢燃料和另一种燃料两者供应的内燃发动机的方法。
背景技术
因为关注于从含碳燃料如汽油、柴油、及醇类燃料放出的温室气体，对于以在燃烧时产生水的氢作为燃料供应的机动车辆产生了浓厚的兴趣。由于氢是在汽缸中占据很大体积的气态燃料，特别是相比较于像汽油或柴油燃料这样的稠密燃料，因此相比较于汽油或柴油动力发动机，氢燃料内燃发动机经受较低的动力输出。此外，由于燃烧粗劣(combustion harshness)增加，氢燃烧限于在约0.5或更少的当量比下操作，若这存在问题，会快速增加NOx排放。当量比为1时为化学计量比，意味着燃料对空气的比例为所有的氧气和燃料可以完全燃烧的情况。当量比为0.5时为稀当量比，其中供应的空气的量是完全消耗燃料所需要的空气的两倍。这种当量比上的限制导致大约一半燃料输送可以被燃烧室中的空气量消耗，从而发动机产生的扭矩为在化学计量比时的一半。
当量比定义为混合物的燃料空气比(质量)除以化学计量比的混合物的燃料空气比。化学计量比混合物的当量比为1.0，稀混合物当量比小于1.0，浓混合物当量比大于1.0。
发明内容
本发明的发明人认识到通过操作两种燃料：氢和汽油，在一个示例中，发动机可以在低扭矩水平下操作氢，在高扭矩水平下操作汽油。氢在稀当量比下容易燃烧，且较适合于在低扭矩下燃烧充分(burning robustly)，至多具有最小的节流。因为汽油的高能量密度和在化学计量比下操作的能力，汽油较适合于提供高扭矩。本发明的发明人提出在操作氢和操作另一种燃料之间进行切换的双燃料发动机。
高扭矩燃料可以是碳氢化合物，如天然气、丙烷、汽油，或醇类，如甲醇、乙醇。此外，还可以使用气态燃料的组合或液态燃料的组合，如85％的乙醇和15％的汽油的混合物的E85。高扭矩燃料含碳，在燃烧时反应生成温室气体二氧化碳。因为氢燃烧产生的燃烧产物只有水，不会生成温室气体。因此，希望在有可能时操作氢，在需要提供期望的扭矩时使用含碳燃料。
本领域技术人员通常使用的标准化的发动机扭矩为BMEP，即制动平均有效压力，对于4行程发动机为2*P/(V*N)，其中P为制动力，V为移动体积，N为发动机转速rpm。
本发明公开一种从第一操作模式到第二操作模式进行切换的方法，其中在切换开始时减少空气供应，减少第一燃料的供应，并启动第二燃料的供应。第一燃料基本上为100％的氢，第二燃料例如主要包括碳氢化合物、汽油或汽油与醇类的混合物。或者，第二燃料为气态碳氢化合物。在切换期间，不断减少氢的量以便在切换结束时，不再供应氢到发动机。同时，协同氢的减少在切换期间增加第二燃料的量。当扭矩需求促使氢燃料当量比超过阈值时启动切换，该阈值约为0.5。通过关闭发动机的节气门实现空气供应减少，在切换期间空气供应减少在30％-60％的范围之内。在一个实施例中，响应于发动机活塞速度超过阈值进一步启动切换。发动机活塞速度计算为2*S*N，其中S为行程，N为发动机转速rpm。活塞速度在整个旋转中不是恒定的；活塞速度在此计算为平均活塞速度。
本发明还公开一种在内燃发动机中在两个操作模式之间进行切换的方法，其中充分增加空气供应，启动氢的供应，减少第二燃料的供应，所有这些基本上发生在切换的启动时。响应于扭矩下降小于阈值BMEP的需求启动切换：其中阈值BMEP对于自然进气发动机在3.5巴至5巴之间，对于增压发动机在6巴至8巴之间。在切换期间，空气供应在30％-60％范围之内增加。在切换启动时到发动机的氢的供应促使只有氢燃料的当量比至少为0.1。
通过阅读本发明的优选实施例的示例、参考本文的详细说明、参考附图将更完全地理解本文描述的优点。
附图说明
图1是具有两种燃料供应的发动机的示意图；
图2a-2b示出显示两种燃料的操作区域的BMEP和活塞速度的发动机操作图；
图3示出显示两种燃料的操作区域的BMEP和催化剂温度的发动机操作图；及
图4和图5示出从氢到汽油的切换的时间线。
具体实施方式
图1中通过示例示出四汽缸内燃发动机10。内燃发动机10通过进气歧管12供应空气，通过排气歧管14排出废气。进气歧管12的上游的进气导管包含节气门32，节气门32在触发时控制到内燃发动机10的空气流量。安装在进气歧管12中的传感器34和36分别测量空气温度和质量空气流量(MAF)。位于节气门32的下游的进气歧管12中的传感器31是歧管绝对压力(MAP)传感器。部分地关闭节气门32促使进气歧管12中的压力相比较于节气门32的上游一侧上的压力下降。当在进气歧管12中存在压力下降时，促使排气流过将排气歧管14连接到进气歧管12的排气再循环(EGR)导管19。EGR阀18位于EGR导管19之中，触发EGR阀18以控制EGR流量。氢燃料通过燃料喷射器30直接喷射到汽缸16中和通过进气道喷射器26喷射液态燃料到进气歧管12中以供应到内燃发动机10。该装置如图所示仅用于示例，并不意图限制。在其他实施例中包括供应氢燃料的进气道喷射器26和供应液态燃料的直接喷射器30。或者，两种燃料都通过直接燃料喷射器供应。在又一个实施例中两种燃料都通过进气道喷射器供应。在另一个实施例中，氢之外的燃料是如甲烷的气态碳氢化合物燃料。内燃发动机10的每个汽缸16包含火花塞28。内燃发动机10的曲轴(未示出)连接到齿轮20。接近于齿轮20设置的传感器22检测内燃发动机10的旋转。替代地可以使用检测曲轴位置的其他方法。
在一个实施例中，内燃发动机通过发动机进气中的压缩机58增压。通过增加供应到内燃发动机10的空气的密度，在相同的当量比下可以供应更多的燃料。通过这样做，内燃发动机10可以产生更多的动力。压缩机58可以是典型地从动于内燃发动机的增压器。或者，压缩机58经轴与设置在内燃发动机排气中的涡轮56连接。涡轮56如图1所示为可变几何涡轮；但在替代的实施例中可以是非可变装置。在另一个实施例中，发动机自然进气，在该实施例中元件56和元件58可以略去。涡轮56的下游为三元催化剂66。三元催化剂66替代地可以设置在涡轮56的上游以快速起燃。或者，三元催化剂66是具有在稀当量比下还原NOx的能力的稀NOx捕集器或稀NOx催化剂。
两个燃料箱60和64供应两种燃料。在如图1所示的实施例中，燃料箱60包含液态燃料，燃料箱64包含氢。然而，如上所述，本发明的发明人构思多种可能的燃料组合，包括在合适的燃料存储容器中。在燃料箱中燃料泵62使液态燃料加压。燃料箱64处于高压下。通常不要求加压，但可以使用压力调节器。
电子控制单元40如图所示包括微处理器单元(CPU)46，输入/输出端口44和内存管理单元(MMU)48。MMU48与CPU46和包括只读存储芯片(ROM)50、保活存储器(KAM)52、随机存取存储器(RAM)54、及连接上述各种部件的数据总线的电子存储媒介通信。电子控制单元40可以接收来自连接到发动机10和燃料供给系统的传感器的各种信号。除上述信号外，电子控制单元40还接收来自发动机和燃料供给系统操作的其他信号42。电子控制单元40配置为使用存储的指令处理这些输入并响应地发送信号或指令以控制发动机和燃料供给系统的操作。
已知在现有技术中在发动机操作模式之间进行切换。例如，在分层进气汽油发动机中，在分层稀当量比到预混合化学计量比操作之间的切换已知构成挑战，因为当量比从稀到浓突然变化，而燃料保持不变。在本发明中，当转换燃料时当量比也突然变化，因为氢的最佳组合操作特性在当量比小于0.5时实现，而其他燃料(碳氢化合物、醇类等)的期望的燃料和排放操作特性在当量比为1.0时实现。燃料切换可以在单循环中实现，而切换期间空气滞后从而造成挑战。本发明不同于在分层进气发动机中的现有技术切换，因为在本发明中燃料变化，当量比也变化。
已知在现有技术中操作双燃料发动机，其中在两种燃料之间进行切换，如在汽油和丙烷之间或在汽油和乙醇之间。然而，大多数已知的燃料(气态碳氢化合物、液态碳氢化合物、及醇类)相比较于氢燃料(约0.10稀当量比限制和3浓当量比限制)具有较窄范围的可燃性、当量比(约0.65稀当量比限制和1.7浓当量比限制)。因为大多数燃料不能在较稀当量比下充分燃烧，该大多数燃料稳定的，稀当量比操作发生在产生高NOx的区域。因此，除了氢之外大多数燃料在化学计量比，即当量比为1下操作。因为氢的较稀混合物燃烧充分，产生的NOx的量较小，允许这种稀当量比操作，而没有较大的排放问题。尽管氢可以在较大范围的当量比中燃烧，但在内燃发动机中，氢在0.15到0.5当量比范围中使用，因为当操作浓于0.5当量比时，产生氢的粗劣燃烧和自燃，这种工况应避免。因此，在双燃料发动机中，两种燃料的一种为氢，当从氢到汽油进行切换时，发生从约0.5当量比，或更稀的当量比到1.0当量比的切换。
总之，本发明不同于现有技术在分层稀当量比操作和化学计量比操作之间切换，如上所述，因为在本发明中当量比和燃料类型都发生切换。本发明不同于现有技术双燃料切换，因为当燃料的一种是氢时，根据本发明，在燃烧模式之间切换导致燃料类型和当量比两者增加；然而，在现有技术中两种燃料中没有氢，当燃料类型发生变化时，当量比基本上不会变化。
通过电子燃料喷射器输送的气态燃料，在单循环中可以开启、关闭、或在中间任何位置，在燃料喷射器位于进气道中的情况下仅有的瞬态问题是在进气歧管中的燃料剩存。直接供应到燃烧室(直接喷射)的液态燃料在单循环中受到影响。然而，由于在进气道表面形成燃料膜，供应到进气道(进气道喷射)的液态燃料出现一些困难。这是因为当触发喷射器时，喷洒的燃料中的一些润湿歧管壁，不能直接进入到燃烧室。当停止液态燃料进气道喷射器时，保留在进气道壁上的壁上燃料膜去除并引入到燃烧室中；这种燃料剩存需要进行几次进气事件清空。例如，由于歧管充填或清空需要进行几次发动机循环，突然改变引入到汽缸中的空气量出现问题。因此，从一种燃料到另一种燃料的切换需要进行至少几次发动机循环。在一个实施例中，在燃料之间的切换在数十次循环上完成。
在一个实施例中，在切换期间输送两种燃料，同时调节供应的空气到新的工况。本领域技术人员应知道当使用氢以补充汽油(或其他的碳氢化合物燃料)时，有助于在比只可能使用汽油时稀得多的当量比下燃烧。
在图2a，如图所示，当超过阈值BMEP时使用燃料2。该阈值与大于期望的水平例如0.5的氢当量比有关。即产生超过阈值BMEP，氢当量比将超过0.5。在图2b中，在氢操作上施加附加的限制，因为当活塞速度超过特定阈值时，发动机切换到燃料2。
当较冷时，发动机在氢燃料上起动，不会出现如液态燃料的冷起动蒸发和混合问题。在图3中，当催化剂达到其起燃温度且超过阈值BMEP时，仅使用燃料2。
在图4，在时间线示出从氢切换到汽油的一个实施例。在切换之前，使用氢；在切换之后，使用汽油；在切换期间使用两种燃料的组合。在顶部曲线a中，扭矩递增。在底部曲线e中，在切换之前当量比Φ小于0.5。如上所述，当氢当量比接近0.5时，期望从氢切换到汽油，因此，开始切换。在曲线c中，在切换之前增加提供的氢的量以增加曲线a的扭矩。在切换之前，曲线b的空气输送率dma/dt保持不变，通过增加氢提供附加的扭矩。在切换开始时，部分地关闭节气门，减少空气量。空气供应减少以便到切换结束时供应的空气要求达到Φ＝1.0，Φ＝1.0是除了氢之外的所有燃料期望的当量比。具有切换时期的原因之一是空气输送不能在一个发动机循环中改变。然而，即使当节气门快速开启时，歧管充填及提供期望的空气量到发动机需要几次发动机循环。因为在切换刚开始之后空气多于期望的，继续氢供应。本领域技术人员应知道通过使用氢补充常规的燃料，常规的燃料可以在没有氢的存在时不能充分燃烧的当量比中充分燃烧。因此，氢在整个切换时期继续供应，直到当量比达到期望的1.0，在该时间停止氢供应。或者，未在图中示出，在当量比达到常规燃料例如汽油可以充分燃烧的比率如大于0.8时停止供应氢。在切换开始时启动汽油供应。然而，如上所述，因为空气不能按期望快的速度减少，在切换时间继续供应氢以确保燃烧。在切换期间中，增加汽油，减少氢，以及减少空气，以便到切换时期结束时，执行汽油操作而没有氢辅助。
在图5，替代的实施例如图所示，其中切换的开始部分类似于如图4所示。然而，在切换期间的一点上，当量比跳到1.0，并在切换的剩余时间保持在1.0。这样做以避免0。85-0.90当量比的高NOx区域。然而，在1.0当量比的切换期间，氢供应继续地减少，汽油供应增加。在切换结束时，氢供应停止。
在上述讨论中，描述了氢-汽油切换。然而，作为示例参考汽油，并不意图限制。此外，在Φ＝0.5时发生切换也作为示例。实际的切换可以发生在稍微低于或高于0.5的当量比。
从较高扭矩切换到较低扭矩时，其中汽油(或其他的燃料)操作切换到氢操作可以在如图4和图5所示的相反的内容中实现。若不同于氢的燃料为液态燃料，且为进气道喷射，考虑在进气歧管中的燃料剩存以提供期望的燃料到燃烧室。
虽然详细描述了实施本发明的几个模式，但本领域技术人员应认识到实施本发明的替代的实施例和设计。上述实施例意图示出本发明，在本文的权利要求范围之内可以进行修改。

Claims (17)

1.一种控制内燃发动机的方法，包括：
当当量比低于第一当量比阈值时，仅使用氢燃料操作所述发动机并且增加供应到所述发动机的氢燃料，以增加发动机功率；
当所述当量比超过所述第一当量比阈值时，减少供应到所述发动机的空气的量，并且突然减少到所述发动机的氢燃料的供应，同时启动到所述发动机的液体燃料的供应，并且减少氢燃料同时增加所述液体燃料，直到仅用所述液体燃料操作所述发动机。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一当量比阈值是在其之上发生氢燃料的粗劣燃烧和自燃中的一个的当量比。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一当量比阈值大约为0.5。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
所述增加所述液体燃料是突然增加所述液体燃料的供应，使得当量比从第二当量比阈值被突然增加到化学计量当量比，以使预定范围的当量比内的操作最小化。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第二当量比阈值是高NOx产生当量比。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，协同减少空气的量、突然减少氢燃料的供应以及启动液体燃料的供应，从而提供扭矩的平滑增加。
7.一种从仅有氢被供应到发动机的第一操作模式到仅有碳氢化合物燃料被供应到发动机的第二操作模式切换的方法，包括：
在切换启动阶段进行所述切换，所述切换启动阶段之后是切换完成阶段；
所述切换启动阶段包括：
减少到所述发动机的空气供应；
减少供应到所述发动机的氢的量；及
启动到所述发动机的所述碳氢化合物燃料的供应；及
所述切换完成阶段包括：
突然增加到所述发动机的所述碳氢化合物燃料的输送；及
在所述切换完成阶段持续减少氢的供应，其中在所述切换启动阶段期间的当量比被保持在小于第一阈值当量比，并且在所述切换完成阶段期间的当量比被保持在1.0。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，当在所述第一操作模式期间的当量比导致自燃条件时进行所述切换。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，当在所述第一操作模式期间的当量比导致发动机粗暴时进行所述切换。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，当在所述第一操作模式期间的当量比超过大约0.5时进行所述切换。
11.如权利要求7所述的方法，其特征在于，响应于所述发动机中的当量比超过所述第一阈值当量比进行所述切换完成阶段。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述碳氢化合物燃料的突然增加足够使所述当量比从所述第一当量比突然增加到1.0，由此避免产生高NOx的当量比范围。
13.一种用于控制内燃发动机的方法，包括：
在从氢燃料切换到碳氢化合物燃料的切换期间，突然增加向所述内燃发动机供应的碳氢化合物燃料，以避免在所述内燃发动机内产生高NOx的当量比范围。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述产生高NOx的当量比范围是0.85至0.9。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述突然增加使所述当量比从小于所述产生高NOx的当量比范围的较低当量比突然改变到大于所述产生高NOx的当量比范围的较高当量比。
16.如权利要求13所述的方法，其特征在于，当从碳氢化合物燃料切换到氢燃料时，通过突然减少供应到所述内燃发动机的碳氢化合物燃料的量来避免所述产生高NOx的当量比范围。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述突然减少使所述当量比从大于所述产生高NOx的当量比范围的较高当量比突然改变到小于产生高NOx的当量比范围的较低当量比。
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