CN101389840B - 使用循环工作气体的氢发动机 - Google Patents

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Abstract

氢发动机10将氢气、氧气和作为工作气体的氩气供给到燃烧室21以使氢气燃烧。通过冷凝器66，从燃烧室21排出的循环气体中的H2O被从气体中分离和除去。当循环气体中的二氧化碳的浓度高于预定浓度时，以使循环气体流经产物除去部70(二氧化碳吸收单元71)的方式转换三通阀72，从而将二氧化碳从循环气体中分离和除去。

Description

使用循环工作气体的氢发动机
技术领域
本发明涉及一种使用循环工作气体的氢发动机，其中将氢气、氧气和由单原子气体构成的工作气体供给到燃烧室以使氢气燃烧，将从燃烧室排出的废气中包含的工作气体循环(返回、重新供给)到所述燃烧室。
背景技术
已提出的一种使用循环(被循环的)工作气体的氢发动机是将氢气、氧气和作为工作气体的由单原子气体构成的气态氩供给到燃烧室以使氢气燃烧，并且从燃烧室排出的废气中包含的工作气体通过循环通道循环到燃烧室(例如参见公开号为11-93681的日本专利申请的权利要求1、0021-0029段及图1)。氩气是具有很高比热比(specific heat ratio)的惰性气体。因此，与使用低比热比的工作气体的发动机相比，上述传统的氢发动机能以更高的热效率工作。上述氢发动机的废气包括H2O(蒸气)和氩气。相应地，发动机从废气中分离或除去(或移除)H2O，并将已除去H2O的气体重新供给到燃烧室。
但是，上述发动机的废气可能包含了在燃烧室中产生的除了H2O和氩气以外的反应产物。这样的反应产物如二氧化碳(CO2)、氮氧化物(NOX)、碳氢化合物(HC)等。例如，当发动机润滑油在燃烧室中燃烧(或以化学方法转化)时会产生二氧化碳。更具体地，当位于汽缸衬筒上的发动机润滑油的一部分燃烧时或当通过进气阀或排气阀的油密封部渗漏到燃烧室中的发动机润滑油燃烧时，废气中就不可避免地包含了二氧化碳。
还需提及的是，二氧化碳由三个原子组成。燃烧室中产生的包括二氧化碳在内的产物(氮氧化物、碳氢化合物等)为气体，每种气体都是由两个或更多个原子组成。以下，为了描述方便，由两个或更多个原子组成的气体被称为“多原子气体”。多原子气体的比热比小于单原子气体的比热比。因此，发动机的热效率随着循环气体中“在燃烧室中形成的产物的浓度”的变高而变低。
发明内容
根据本发明的解决上述热效率问题的氢发动机是使用循环工作气体的氢发动机。所述发动机将氢气、氧气和由单原子气体构成的工作气体供给到燃烧室以使氢气燃烧，并将从燃烧室排出的废气中所包含的工作气体通过循环通道循环(重新供给、返回)到所述燃烧室。所述发动机进一步包括设置在循环通道中用于除去燃烧室中产生(或生成、形成)的除了H2O(蒸气)以外的产物的产物除去器件。
通常，单原子气体具有大的比热比。相反，燃烧室中产生的除了H2O以外的每种产物的比热比都小于单原子气体的比热比，因为这些产物是多原子气体。因此，上述结构的氢发动机可持续高热效率地工作，因为所述燃烧室中产生的除了H2O以外的产物(即比热比小于所述工作气体的比热比的产物)通过产物除去器件被从循环气体中除去了。
在这种情况下，优选地，产物除去器件构造为除去作为燃烧室中产生的除了H2O以外的产物的二氧化碳。
通常，发动机中使用润滑油。因此，如上所述，燃烧室不可避免地会产生具有相对低的比热比的二氧化碳。因此，通过使用上述结构除去循环气体中的二氧化碳，所述氢发动机能够持续高热效率地工作。
在这种情况下，优选地，用于除去二氧化碳的产物除去器件包括，
具有构成循环通道的一部分的通道的容器；及
包含在所述容器的所述通道中的单乙醇胺溶液或者包含在所述容器的所述通道中的沸石吸收剂。
单乙醇胺(MEA)溶液能高溶度地溶解二氧化碳。沸石吸收剂能高效地吸收二氧化碳。因此，根据上述结构，通过使废气流经包含这些材料之一的通道，循环气体中所包含的二氧化碳能被有效地吸收并从循环气体中分离/除去。
优选地，
所述循环通道包括主通道和在分支点处从主通道分出并在分支点下游的连接点处连接到主通道的旁通通道；
所述产物除去器件设置在旁通通道中；及
所述氢发动机包括用于选择第一状态和第二状态的路径切换器件，其中，第一状态是使流经分支点上游的主通道的气体流经分支点和连接点之间的主通道，第二状态是使流经分支点上游的主通道的气体流经分支点和连接点之间的旁通通道。
根据以上结构，当需求产生，路径切换器件选择的循环气体在分支点和连接点间流经的路径是旁通通道时，通过设置在旁通通道中的产物除去器件除去循环气体中所包括的产物。结果，能降低循环气体中的产物的浓度。另一方面，当路径切换器件选择的循环气体在分支点和连接点间流经的路径是主通道时，循环气体不流经产物除去器件。结果，因为循环气体不流经旁通通道和具有流动高通道阻力的产物除去器件，所以能够避免发动机效率的降低。
另外，优选地，在本发明的氢发动机中，
所述产物除去器件包括，
吸收材料，其用于吸收所述产物；
促使分离器件，其用于以促使被所述吸收材料吸收的产物从所述吸收材料中分离出的方式对所述吸收材料施加物理作用；及
排出开口部，其用于将从吸收材料中分离出的产物排放到循环通道外部。
根据以上结构，通过促使分离器件促使被吸收材料吸收的产物从吸收材料中分离出来。因此，吸收材料能恢复其吸收产物的能力。结果，吸收材料能长时间使用而无需用新的吸收材料重新替换所述吸收材料。
优选地，在具有促使分离器件的氢发动机中，
吸收材料是通过溶解作为产物的二氧化碳来吸收二氧化碳的单乙醇胺溶液或是通过吸附二氧化碳来吸收二氧化碳的沸石吸收剂；及
促使分离器件是用于加热吸收材料的加热器件。
单乙醇胺溶液具有二氧化碳溶度随着其温度的升高而急剧地减少的特性。沸石吸收剂具有吸收二氧化碳的效率随着其温度的升高而急剧地减少的特性。因此，根据以上结构，可以容易地通过用加热器件加热单乙醇胺溶液或沸石吸收剂将其吸收(溶解或吸附)的二氧化碳从其中分离出来(或除去)，结果，可恢复单乙醇胺溶液或沸石吸收剂吸收二氧化碳的能力。
再优选地，所述氢发动机具有其中设置有产物除去器件的旁通通道及用于选择主通道或旁通通道作为循环气体流经通道的路径切换器件，该氢发动机包括，
二氧化碳浓度获取器件，其获取流经主通道(例如位于分支点上游的一个位置的主通道或者位于连接点下游的一个位置的主通道)的气体中所包含的二氧化碳的浓度；及
切换控制器件，其以如下方式切换路径切换器件：当获得的二氧化碳的浓度高于预定浓度时，使流经分支点上游的主通道的气体流经分支点和连接点之间的旁通通道。
使用以上结构，当获得的二氧化碳的浓度高于预定浓度时，即当发动机的热效率已经降低到不能接受的水平时，循环气体流经旁通通道。因此，由于通过产物除去器件将二氧化碳从循环气体中除去，所以能够避免发动机效率的降低。此外，因为除非有必要否则循环气体不流经旁通通道和具有流动高通道阻力的产物除去器件，所以能够避免发动机效率的降低。
在这种情况下，二氧化碳浓度获取器件可以是检测(或测量)二氧化碳浓度的二氧化碳浓度传感器，或者是基于氢发动机工作的累计时间周期(或发动机工作的总时间)来估算二氧化碳浓度的二氧化碳浓度估算器件。如果二氧化碳浓度是基于氢发动机工作的累计时间周期而估算出的，则发动机成本将会降低，因为不需要采用昂贵的二氧化碳浓度传感器。
本发明的氢发动机可包括，
气缸压力获取器件，其用于获取气缸压力，气缸压力是指当发动机的曲轴转角与靠近压缩行程的上死点的预定曲轴转角一致时燃烧室中的压力；及
切换控制器件，其以如下方式切换路径切换器件：当获得的气缸压力小于预定压力时，使流经分支点上游的主通道的气体流经分支点和连接点之间的旁通通道。
如上所述，二氧化碳气体是由三个原子组成的，因此，它的比热比小于由单原子气体构成的工作气体的比热比。因此，靠近压缩行程上死点的气缸压力随着循环气体中二氧化碳的浓度的变高而变小。因此，当发动机的曲轴转角与靠近压缩行程上死点的预定曲轴转角一致时气缸压力变得比预定压力小，这意味着循环气体中二氧化碳的浓度变高了。考虑到这个因素，根据以上结构，以如下方式选择循环气体流经的通道：当在靠近压缩行程上死点的预定曲轴转角处的气缸压力变得小于预定压力时，循环气体流经旁通通道。因此，由于通过产物除去器件将二氧化碳从循环气体中除去了，所以能够避免发动机效率的降低。此外，因为除非必要否则循环气体不流经具有流动高通道阻力的旁通通道(吸收二氧化碳机制)，所以能够避免发动机效率的降低。
选择地，本发明的氢发动机可包括，
燃烧状态指示值获取器件，其获取指示发动机中的燃烧状态的燃烧状态指示值；及
切换控制器件，其以如下方式切换路径切换器件：当获得的燃烧状态指示值指出燃烧状态比预定燃烧状态差时，使流经分支点上游的主通道的气体流经分支点和连接点之间的旁通通道。
如上所述，二氧化碳气体是由三个原子组成的，因此，它的比热比小于由单原子气体构成的工作气体的比热比。
因此，如果氢发动机是这样一种发动机，其中，将氢气喷射到高温高压气体中用于扩散燃烧，燃烧速度(率)随着二氧化碳的浓度的变高而变低，相应地，连续周期间的燃烧状态的波动变大，或自燃正时延迟。因此，如果将指示平均有效压力的波动率、自燃正时或自燃正时的波动率用作燃烧状态指示值，则可基于该燃烧状态指示值来确定二氧化碳浓度是否高于可接受的浓度。
此外，如果氢发动机是这样一种发动机，其中，通过使用火花点火扩散火焰而使氢气燃烧，火焰扩散速度随着二氧化碳的浓度的变高而变低，相应地，一个燃烧冲程(或膨胀行程)内的气缸压力逐渐的变化。因此，如果将气缸压力的变化率用作燃烧状态指示值，则可基于该燃烧状态指示值来确定二氧化碳的浓度是否高于可接受的浓度。
此外，不考虑发动机的类型，热效率随着二氧化碳的浓度的变高而变低。相应地，如果将指示热效率用作燃烧状态指示值，则可基于指示热效率来确定二氧化碳的浓度是否高于可接受的浓度。需指出的是，例如，指示热效率可为基于气缸压力及燃烧室的容积获得的指示功Q1与基于供给的氢气的量(例如喷射的氢气的量)获得的供给到发动机的能量Q0的比值(例如Q1/Q0)。
考虑到这些方面，根据以上结构，当燃烧状态指示值显示燃烧状态比预定燃烧状态差时，如果路径切换器件被切换到选择使流经分支点上游的主通道的气体流经分支点和连接点之间的旁通通道的路径，则可避免二氧化碳浓度过量的增加，因此，能够避免发动机效率的降低。此外，因为除非有必要否则循环气体不流经旁通通道和具有流动高通道阻力的产物除去器件，所以能够避免发动机效率的降低。
附图说明
图1为根据本发明的第一实施例的包括使用循环工作气体的氢发动机的系统的结构示意图。
图2用流程图示出图1所示的电控装置的CPU执行的程序。
图3用流程图示出图1所示的电控装置的CPU执行的程序。
图4用流程图示出图1所示的电控装置的CPU执行的程序。
图5为根据本发明的第二实施例的包括使用循环工作气体的氢发动机的系统的结构示意图。
图6用流程图示出图5所示的电控装置的CPU执行的程序。
图7用流程图示出图5所示的电控装置的CPU执行的程序。
图8用流程图示出电控装置的CPU执行的程序，其中电控装置是根据本发明的第三实施例的使用循环工作气体的氢发动机所包含的。
图9用流程图示出电控装置的CPU执行的程序，其中电控装置是根据本发明的第四到第七实施例的各个使用循环工作气体的氢发动机所包含的。
图10用流程图示电控装置的CPU执行的程序，其中电控装置是根据本发明的第四实施例的使用循环工作气体的氢发动机所包含的。
图11用流程图示电控装置的CPU执行的程序，其中电控装置是根据本发明的第五实施例的使用循环工作气体的氢发动机所包含的。
图12用流程图示电控装置的CPU执行的程序，其中电控装置是根据本发明的第六实施例的使用循环工作气体的氢发动机所包含的。
图13用流程图示电控装置的CPU执行的程序，其中电控装置是根据本发明的第七实施例的使用循环工作气体的氢发动机所包含的。
具体实施方式
结合附图描述根据本发明的使用循环工作气体的氢发动机的实施例。
【第一实施例】
图1为根据本发明的第一实施例的包括使用循环工作气体的氢发动机的系统的结构示意图。
所述系统包括使用循环工作气体的氢发动机10、氢供给部40、氧供给部50、工作气体循环通道部60、产物除去部70和电控装置80。氢发动机10是这样一种类型的发动机：其将氧气和作为工作气体的氩气供给到燃烧室，将氢气喷射到通过压缩氧气和氩气获得的用于氢气的扩散燃烧的高压气体中。需注意的是，虽然图1示出氢发动机10的某一个气缸的横截面图，但是，其他气缸具有相同的结构。
氢发动机10是往复式内燃机。氢发动机10包括由气缸盖部构成的气缸盖11、由气缸体部构成的气缸12、在气缸12内往复运动的活塞13、曲轴14、连接在活塞13和曲轴14之间用于将活塞13的往复运动转换为曲轴14的旋转运动的连接杆15及连接到气缸体的油底盘16。活塞环13a设置在活塞13的侧面上。
由气缸盖11、气缸12和油底盘16所形成的空间被活塞13分隔成位于活塞13的缸盖端的燃烧室21和保留曲轴14的曲轴箱22。
与燃烧室21连通的进气口31和与燃烧室21连通的排气口32设置在气缸盖11内。用于开启和关闭进气口31的进气阀33设置在进气口31内。用于开启和关闭排气口32的排气阀34设置在排气口32内。将氢(氢气)直接喷射到燃烧室21内的氢喷射阀(喷射器)35设置在气缸盖11处。
氢供给部40包括氢罐(氢气罐)41、氢气通道42、氢气压力调节器43、氢气流量计44及浪涌调整槽45。
氢罐41储存处于10到70MPa高压下的作为燃料的氢气。氢气通道42是将氢罐41与氢喷射阀35连通的通道(导管、管子)。氢气压力调节器43、氢气流量计44和浪涌调整槽45沿氢气通道42以此顺序从氢罐41到氢喷射阀35布置。
氢气压力调节器43是公知的压力调节器，其调节氢气通道42中氢气压力调节器43下游位置(即在浪涌调整槽45的一侧)的压力，以便将压力保持为定压。氢气流量计44测量流经氢气通道42的氢气的量(即氢气流速)以输出指示氢气流速FH2的信号。浪涌调整槽45适于抑制当喷射氢气时氢气通道42中发生的脉动。
氧供给部50包括氧罐(氧气罐)51、氧气通道52、氧气压力调节器53、氧气流量计54和氧气混合器55。
氧罐51将氧气储存在合适的压力下。氧气通道52是将氧罐51与氧气混合器55连通的通道(导管、管子)。氧气压力调节器53和氧气流量计54沿氧气通道52以此顺序从氧罐51到氧气混合器55布置。
氧气压力调节器53是公知的能控制压力的压力调制器。也就是说，氧气压力调节器53根据指令信号调节氧气通道52中氧气压力调节器53下游位置(即在氧气混合器55的一侧)的压力，以使该压力与目标调节压力RO2tgt一致。换句话说，氧气压力调节器53能响应指令信号而控制流经氧气通道52的氧气的流速。
氧气流量计54测量流经氧气通道52的氧气的量(即氧气流速)以输出指示氧气流速FO2的信号。氧气混合器55设置在下文描述的循环气体通道部60的第五通道65中。氧气混合器55将通过氧气通道52供给到氧气混合器55的氧气和通过第五通道65供给到氧气混合器55的入口部的气体混合，从而从氧气混合器55的出口部排出混合气体。
循环气体通道部60包括第一到第五通道(第一到第五流动通道导管)61-65、冷凝器(或蒸气冷凝器、气液水分离器)66及氩气流量计67。
第一通道61连接排气口32和冷凝器66的入口部。第二通道62连接冷凝器66的出口部和下文描述的三通阀(用于切换路径的切换器件)72的入口部。第三通道63连接三通阀72的出口部之一和下文描述的连接点PG。第四通道64连接连接点PG和氩气流量计67的入口部。第五通道65连接氩气流量计67的出口部和进气口31。氧气混合器55设置在第五通道65中。
冷凝器66以其通过第一通道61和冷凝器66的入口部将燃烧室21排出的废气导入的方式构造。冷凝器66通过利用冷却水W来冷却从入口部导入的废气而使包含在废气中的水蒸气(或蒸汽，H2O)凝聚或液化。这样，冷凝器66通过从非可冷凝的气体中分离水蒸气而将废气中包含的水蒸气改变为液态水从而将液态水排到外部。此外，冷凝器66通过其出口部将经分离的非可冷凝的气体供给到第二通道62。
氩气流量计67测量流经第四通道64和第五通道65的氩气的量(即氩气流速)以输出指示氩气流速FAr的信号。
产物除去部70包括二氧化碳吸收单元(CO2吸收单元)71、三通阀(用于切换路径的切换器件)72、旁通上游通道73及旁通下游通道74。
二氧化碳吸收单元71包括容器71a和单乙醇胺溶液71b。容器71a是形成中空圆柱或中空矩形平行六面体以使其内部具有通道的箱体。容器71a将单乙醇胺溶液71b容纳(或储存、包含)在通道中。单乙醇胺溶液被称为“MEA溶液”。单乙醇胺溶液能够通过选择性地溶解大量的二氧化碳来有效地吸收二氧化碳。容器71a具有位于底部的入口部和位于顶部的出口部。容器71a可移动地(可分离地)设置在(安装在)具有氢发动机10的车辆上。
三通阀72具有一个入口部和两个出口部。三通阀72响应驱动信号(指令信号)连通(相通地连接)入口部与两个出口部之一。如上所述，三通阀72的入口部通过第二通道62与冷凝器66的出口部相连。三通阀72的出口部中的一个通过旁通上游通道73与容器71a的入口部相连。三通阀72的出口部中的另一个与第三通道63(及在连接点PG处与第四通道)相连。旁通下游通道74的一端与容器71a的出口部相连。旁通下游通道74的另一端与第四通道64(即与连接点PG)相连。
需指出的是，为了方便描述，三通阀72所在的位置被称为“包括第二通道62、第三通道63及第四通道64(事实上，还包括第一通道61和第五通道65)的主通道”和“由旁通上游通道73、旁通下游通道74及在容器71a中形成的通道组成的旁通通道”的“分支点PB”。此外，如上所述，第四通道64与旁通下游通道74相连的位置被称为“连接点PG”。“主通道”构成工作气体的循环通道。“旁通通道”构成工作气体的循环通道的一部分。
电控装置80是具有作为主要部件的常规微型计算机的电子装置，其包括CPU、ROM、RAM和接口。电控装置80与氢气流量计44、氧气流量计54、氩气流量计67、加速踏板行程传感器81、发动机转速传感器82、氧浓度传感器83、氢浓度传感器84、二氧化碳浓度传感器85及浪涌调整槽压力传感器86相连。电控装置80从它们输入测量到(检测到)的信号。
加速踏板行程传感器81检测加速踏板AP的行程从而输出指示加速踏板行程的信号Accp。发动机转速传感器82基于曲轴14的转速输出指示发动机转速NE和曲轴转角的信号。
氧浓度传感器83、氢浓度传感器84和二氧化碳浓度传感器85设置在第四通道64(位于连接点PG和氩气流量计67之间)中。氧浓度传感器83检测在氧浓度传感器83(第四通道64)的设置位置处流动的气体中的氧气的浓度从而输出指示氧浓度的信号Vox。氢浓度传感器84检测在氢浓度传感器84(第四通道64)的设置位置处流动的气体中的氢气的浓度从而输出指示氢浓度的信号VH2。
二氧化碳浓度传感器85检测在二氧化碳浓度传感器85(第四通道64)的设置位置处流动的气体中的二氧化碳的浓度从而输出指示二氧化碳的浓度的信号DenCO2。浪涌调整槽压力传感器86检测浪涌调整槽45中的氢气的压力从而输出指示浪涌调整槽45中的压力的信号Psg(即作为喷射氢气的压力的浪涌调整槽压力)。
此外，电控装置80与各个气缸的氢喷射阀35、氧气压力调节器53及三通阀72相连，并向它们发送指令信号或驱动信号。
接下来，结合图2至图4描述包含使用循环工作气体的氢发动机10的系统的操作。
每当氢发动机10的曲轴转角与预定曲轴转角(如各个气缸的压缩行程上死点前90°)一致时，电控装置80的CPU便执行图2的流程图所示的喷射控制程序。因此，当氢发动机10的曲轴转角与预定曲轴转角一致时，CPU开始从步骤200执行本程序并进入步骤205，从而基于当前时刻检测到的加速踏板行程Accp(发动机负荷)、当前时刻检测到的发动机转速NE和函数(function)f1来确定(获得)所需氢气的量SH2。函数f1是预定的函数(如查找表)，其用于获得与基于加速踏板行程Accp和发动机转速NE确定的所需扭矩相适应的所需氢气的量SH2。
接下来，CPU执行步骤210，基于所需氢气的量SH2、当前时刻检测到的浪涌调整槽压力Psg、当前时刻检测到的发动机转速NE和预定的函数(如查找表)f2，将所需氢气的量SH2转换为开启氢喷射阀35的氢气喷射时间(持续时间)TAU。此后，CPU执行步骤215向氢喷射阀35发送驱动信号从而在氢气喷射时间TAU内开启曲轴转角到达压缩行程上死点前90°的气缸的氢喷射阀35。然后，CPU执行步骤295暂时结束本程序。通过以上操作，将输出所需扭矩所需的量的氢气供给到燃烧室21。
此外，每当经过预定时间后，CPU便执行图3的流程图所示的调节器控制程序。因此，CPU在合适的时刻开始从步骤300执行本程序并进入步骤305。在步骤305中CPU计算当前时刻所需氢气的量SH2的单位时间的平均值SH2ave。通过对单位时间内上述图2中步骤205获得的所需氢气的量SH2求和执行该计算。随后，CPU执行步骤310，基于获得的平均值SH2ave和预定的函数(如查找表)f3获得目标氧气流速FO2tgt。
如上所述，氢发动机10燃烧作为燃料的氢气。因此，为了仅通过燃烧氢气产生水，1摩尔氧气应被供给2摩尔氢气。相应地，函数f3构造为以由平均值SH2ave表示的摩尔氢气的一半摩尔氧气被供给到燃烧室21(事实上，与相等摩尔的氧气和余量(margin)对应的氧气的量)的方式确定目标氧气流速FO2tgt。
接下来，CPU执行步骤315，确定当前时刻检测到的氧气流速FO2是否等于或大于目标氧气流速FO2tgt。当CPU确定当前时刻检测到的氧气流速FO2等于或大于目标氧气流速FO2tgt时，CPU执行步骤320将氧气压力调节器53的目标可调压力RO2tgt减少正定值“a”。结果，供给到氧气混合器55的氧气的量就减少了。
另一方面，当在步骤315中CPU确定当前时刻检测到的氧气流速FO2小于目标氧气流速FO2tgt时，CPU执行步骤325将氧气压力调节器53的目标可调压力RO2tgt增加正定值“b”。结果，供给到氧气混合器55的氧气的量就增加了。相应地，通过氧气混合器55将充要(necessary and sufficient)量的氧气供给到燃烧室21。此后，CPU执行步骤395暂时结束本程序。
此外，每当经过预定时间后，CPU便执行图4的流程图所示的三通阀控制程序(路径切换控制程序或切换路径的控制程序)。首先，描述当流经循环通道的循环气体中的二氧化碳的浓度DenCO2(流经由第一到第五通道61-65构成的主通道的循环气体中的二氧化碳的浓度DenCO2，尤其是，流经构成分支点PB上游的主通道的一部分的第二通道62的循环气体或流经构成连接点PG下游的主通道的一部分的第四通道64的循环气体)低于预定高浓度(高阈值、预定值)DenCO2thH并且不执行通过使用二氧化碳吸收单元71分离/除去二氧化碳的情形。需注意的是，预定高浓度DenCO2thH设定为由于循环气体中所包含的二氧化碳过量导致出现降低氢发动机10的热效率的问题的二氧化碳的浓度。
CPU在合适的时刻开始从步骤400执行图4所示的程序到步骤405。在步骤405中CPU从二氧化碳浓度传感器85获得二氧化碳的浓度DenCO2。接下来，CPU执行步骤410确定二氧化碳的浓度DenCO2是否等于或高于预定高浓度DenCO2thH。
根据上述假定，二氧化碳的浓度DenCO2低于预定高浓度DenCO2thH。这样，CPU在步骤410中确定为“否”，然后执行步骤415，在该步骤中CPU确定二氧化碳分离执行标记F的值是否是“1”。如下文将描述的，当要通过使用二氧化碳吸收单元71来执行分离/除去二氧化碳时，二氧化碳分离执行标记F的值被设定为“1”。通过点火钥匙开关从关到开时执行的初始程序(未示出)将二氧化碳分离执行标记F的值设定为“0”。
根据上述假定，不执行通过使用二氧化碳吸收单元71分离/除去二氧化碳。这样，二氧化碳分离执行标记F的值为“0”，因此，在步骤415中CPU确定为“否”并进行到步骤495暂时结束本程序。结果，从燃烧室21排出的废气(循环气体)经由包括第一通道61、第二通道62、第三通道63、第四通道64及第五通道65的主通道循环。换句话说，从燃烧室21排出的废气不流经二氧化碳吸收单元71。
接下来，将描述主通道中的二氧化碳的浓度DenCO2高于预定高浓度DenCO2thH的情形。由于通过活塞环13a的机油损失或由于通过气门导管的机油损失，已经流进燃烧室21的一部分发动机润滑油在燃烧室21中燃烧后会发生此情况，从而当发动机10重复上述操作时会产生二氧化碳。
在上述假定的情况下，CPU在步骤405后的步骤410中确定为“是”，从而进行到步骤420。在步骤420中CPU以三通阀72的入口部变为与三通阀72的与旁通上游通道73相连的出口部连接(或连通)的方式控制三通阀72。换句话说，以所有流经第二通道62的气体(H2O已被分离和除去的气体)通过设置有二氧化碳吸收单元71的旁通通道(旁通通道由旁通上游通道73、旁通下游通道74及在二氧化碳吸收单元71的容器71a中形成的通道构成)从分支点PB流向连接点PG的方式切换三通阀72。
结果，流经第二通道62的循环气体不流经第三通道63，而是流经二氧化碳吸收单元71(流经设置在二氧化碳吸收单元71的通道中的单乙醇胺溶液71b)。因此，循环气体中所包含的二氧化碳被单乙醇胺溶液71b吸收(吸入)从而从循环气体中分离。二氧化碳已分离的循环气体经由容器71a的出口部和旁通下游通道74从连接点PG供给到第四通道64。此后，CPU执行步骤425将二氧化碳分离执行标记F的值设定为“1”，并执行步骤495暂时结束本程序。
当上述状态继续时，主通道中的二氧化碳的浓度DenCO2逐渐降低，变得低于预定高浓度DenCO2thH而高于预定低浓度DenCO2thL。预定低浓度DenCO2thL设定为低于预定高浓度DenCO2thH而等于循环气体中所包含的二氧化碳不会导致出现降低氢发动机10的热效率的问题的二氧化碳的浓度的值。
在这种情况下，CPU在步骤405后的步骤410中确定为“否”，并且在步骤415中确定为“是”从而执行步骤430。在步骤430中CPU确定流经主通道的二氧化碳的浓度DenCO2是否等于或低于预定低浓度DenCO2thL。此时，二氧化碳的浓度DenCO2高于预定低浓度DenCO2thL。因此，在步骤430中CPU确定为“否”以直接执行步骤495从而暂时结束本程序。结果，不切换三通阀72，因此，流经第二通道62的循环气体继续流经二氧化碳吸收单元71。相应地，循环气体中所包含的二氧化碳被进一步从循环气体中分离和除去。
当上述状态继续时，主通道中的二氧化碳的浓度DenCO2变得等于或低于预定低浓度DenCO2thL。在这种情况下，在步骤405、步骤410和步骤415后的步骤430中CPU确定为“是”。然后，CPU执行步骤435以便控制三通阀72使得三通阀72的入口部变为与三通阀72的与第三通道63相连的出口部相连。换句话说，三通阀72的切换使得所有流经第二通道62的气体从分支点PB到连接点PG流经第三通道63，而不流经设置有二氧化碳吸收单元71的旁通通道。相应地，从燃烧室21除去的废气重新开始在包括第一到第五通道61-65的主通道中循环。此后，CPU在步骤440中将二氧化碳分离执行标记F的值设定为“0”，并执行步骤495暂时结束本程序。
如上所述，根据本发明的第一实施例的使用循环工作气体的氢发动机10是将氢气、氧气、由单原子气体构成的工作气体(氩气)供给到燃烧室21以燃烧氢气，并通过循环通道(主通道和旁通通道)将从燃烧室21排出的废气中的工作气体再循环到燃烧室21。氢发动机10包括设置在循环通道(旁通通道)中的用于除去燃烧室21中产生(或形成)的除H2O之外的产物即二氧化碳的产物除去器件(二氧化碳吸收单元71)。
因此，氢发动机可以持续高热效率地工作，因为产物除去器件将燃烧室21中产生的除了H2O以外的产物(即，二氧化碳，其是比热比小于作为工作气体的氩气的比热比的产物)从循环气体中分离出去了。
此外，氢发动机包括，
二氧化碳浓度获取器件(二氧化碳浓度传感器85)，其获取流经分支点PB上游位置的主通道(第二通道62)的气体或流经连接点PG下游位置的主通道(第四通道64)的气体中所包含的二氧化碳的浓度；及
切换控制器件(步骤410和步骤420等)，其以如下的方式切换路径切换器件(三通阀72)：当获得的二氧化碳的浓度DenCO2等于或高于预定浓度(高阈值)DenCO2thH时，使流经第二通道62的气体流经分支点PB和连接点PG之间(或从分支点PB到连接点PG)的旁通通道，上述第二通道62是分支点PB上游的主通道。
这样就可以降低循环气体中所包含的二氧化碳的浓度。另一方面，当循环气体从分支点PB流到连接点PG经过的路径(通道)通过切换控制器件设置为主通道(第三通道63)时，循环气体不流经二氧化碳吸收单元71。结果，能避免氢发动机效率的降低，因为循环气体不流经旁通上游通道73、旁通下游通道74及具有流动高通道阻力的二氧化碳吸收单元71。
此外，二氧化碳吸收单元71以可分离地安装在车辆上的方式构造。因此，当单乙醇胺溶液71b已充分地吸收了二氧化碳时，可用全新的二氧化碳吸收单元71替换二氧化碳吸收单元71。或者，二氧化碳吸收单元71可从车辆上移除，然后已充分地吸收了二氧化碳的单乙醇胺溶液71b可用新的单乙醇胺溶液71b替换或者用通过加热方式使溶解的二氧化碳分离和除去的单乙醇胺溶液71b替换，然后，二氧化碳吸收单元71被重新固定在车辆上。
【第一实施例的改进】
改进的第一实施例的使用循环工作气体的氢发动机与第一实施例的氢发动机的区别仅在于用沸石吸收剂取代单乙醇胺溶液71b填充于二氧化碳吸收单元71中。沸石吸收剂是固体，其能高效地吸收二氧化碳。
【第二实施例】
根据本发明的第二实施例的使用循环工作气体的氢发动机与第一实施例的氢发动机的区别仅在于用产物除去部90代替第一实施例的产物除去部70，如图5所示。因此，以下将主要描述不同之处。
产物除去部90包括二氧化碳吸收单元91、三通阀(路径切换器件)92、旁通上游通道93、旁通下游通道94、二氧化碳排出通道95、工作气体返回阀96和排出阀97。
类似于二氧化碳吸收单元71，二氧化碳吸收单元91包括容器91a和单乙醇胺溶液91b。二氧化碳吸收单元91进一步包括加热器91c。容器91a的结构与容器71a相同，其可移动地(可分离地)安装在(固定在)具有氢发动机10的车辆上。容器91a将单乙醇胺溶液91b容纳(包含)在其内部形成的通道内。加热器91c设置(布置)在容器91a周围，并响应驱动信号而产生热用于加热单乙醇胺溶液91b。
三通阀92、旁通上游通道93和旁通下游通道94的结构分别与三通阀72、旁通上游通道73和旁通下游通道74相同，它们也以与三通阀72、旁通上游通道73和旁通下游通道74相同的方式设置(布置)和连接。二氧化碳排出通道95的一端与设置于容器91a顶部的排出部(排出开口)相连。
工作气体返回阀96设置(或插入)在旁通下游通道94中。工作气体返回阀96构造为响应驱动信号来保持旁通下游通道94为连通而开启的开启状态或旁通下游通道94关闭的关闭状态。
排出阀97设置(或插入)在二氧化碳排出通道95中。排出阀97构造为响应驱动信号而保持开启状态或关闭状态，在上述开启状态下，二氧化碳排出通道95为连通而开启，在上述关闭状态下，二氧化碳排出通道95关闭。
接下来，将描述这样构成的第二实施例的系统的操作。每当经过预定时刻，第二实施例的CPU除了执行图2到图4所示的程序外，还执行图6和图7所示的程序。图6示出执行二氧化碳吸收单元91的维护操作的程序。图7示出确定是否允许执行二氧化碳吸收单元91的维护操作。
需指出的是，当第二实施例的CPU执行图4的步骤420时，CPU以三通阀92的入口部变为与三通阀92的与旁通上游通道93相连的那个出口部相连接(或连通)的方式切换三通阀92，通过开启工作气体返回阀96来开启旁通下游通道94，并通过关闭排出阀97来关闭二氧化碳排出通道95。此外，当第二实施例的CPU执行图4的步骤435时，CPU以三通阀92的入口部变为与三通阀92的与第三通道63相连的另一个出口部相连接(或连通)的方式切换三通阀92，通过关闭工作气体返回阀96来关闭旁通下游通道94，并通过关闭排出阀97来关闭二氧化碳排出通道95。
现在将描述当满足允许执行二氧化碳吸收单元91的维护操作的条件的情形。因此，当前时刻是通过执行图7的程序使维护允许标记XMT的值从“0”变为“1”之后紧接的时刻。在这种情况下，CPU在合适的时刻开始从步骤600执行图6的的程序到步骤605。在步骤605中CPU确定维护允许标记XMT的值是否为“1”。在步骤605中CPU确定为“是”以执行步骤610，在步骤610中CPU确定二氧化碳分离执行标记F的值是否为“0”。也即，CPU确定当前时刻循环气体是否流经二氧化碳吸收单元91(即二氧化碳是否被二氧化碳吸收单元91吸收)。
此时，如果二氧化碳分离执行标记F的值为“1”，则在步骤610中CPU确定为“否”，并在步骤615中停止向加热器91c供给电能。然后，在步骤620中CPU通过关闭排出阀97来关闭二氧化碳排出通道95，并执行步骤695暂时结束本程序。
如上所述，当循环气体流经二氧化碳吸收单元91时，停止向加热器91c供给电能(加热器91c被关闭，加热器91c不产生热)，并且二氧化碳排出通道95被关闭，因此，二氧化碳已被分离的循环气体从二氧化碳吸收单元91返回到第四通道64。
另一方面，当CPU执行步骤610时，如果二氧化碳分离执行标记F的值为“0”(即在循环气体不流经二氧化碳吸收单元91的情况下)，在步骤610中CPU确定为“是”以执行步骤625，在步骤625中CPU开始向加热器91c供给电能。然后CPU执行步骤630通过开启排出阀97来开启二氧化碳排出通道95。
结果，单乙醇胺溶液91b被加热。单乙醇胺溶液91b具有其溶解二氧化碳的能力随着其温度的升高而急剧减小的特性。相应地，通过向加热器91c供给电能，单乙醇胺溶液91b中吸收的二氧化碳从单乙醇胺溶液91b中分离而变成二氧化碳气体，并且该二氧化碳气体通过二氧化碳排出通道95和排出阀97被排放到空气中。结果，单乙醇胺溶液91b吸收二氧化碳的能力开始恢复。
接下来，CPU执行步骤635使计时器(加热器持续时间计时器)的值T加“1”，然后执行步骤640确定计时器的值T是否等于或大于预定阈值Tth。当前时刻是由于开始向加热器供应电能而使计时器的值T开始增加的时刻。因此，CPU在步骤640中确定为“否”以执行步骤695，在步骤695中CPU暂时结束本程序。需注意的是，计时器的值T由未示出的初始程序设定为“0”。
此后，当以上状态继续时，重复步骤635。因此，计时器的值T变得等于或大于预定阈值Tth。此时当CPU执行步骤640时，CPU在步骤640中确定为“是”以执行CPU停止向加热器91c供给电能的步骤645，并且在步骤650中CPU通过关闭排出阀97来关闭二氧化碳排出通道95。相应地，结束恢复单乙醇胺溶液91b吸收二氧化碳的能力的操作，也即完成维护操作。
接下来，在步骤655中CPU将维护允许标记XMT的值设定为“0”，在步骤660中将计时器的值T设定为“0”。然后，执行步骤695暂时结束本程序。
还需提及的是，如果当CPU开始执行本程序时维护允许标记XMT的值为“0”，则在步骤605中CPU确定为“否”。从而，CPU执行步骤615和步骤620，并执行步骤695暂时结束本程序。截止到此处的描述是关于维护二氧化碳吸收单元91的操作。
接下来，将结合图7描述当CPU将维护允许标记XMT的值设定为“1”时的操作。当计数(二氧化碳吸收计数器的值)CN变得等于或大于预定计数CNth时，维护允许标记XMT的值设定为“1”。计数CN表示二氧化碳分离执行标记F的值从“0”变为“1”的次量。换句话说，当确定有必要恢复单乙醇胺溶液91b吸收二氧化碳的能力时，将维护允许标记XMT的值设定为“1”，因为计数CN变得等于或大于预定计数CNth，因此，单乙醇胺溶液91b处于吸收了大量二氧化碳的状态。计数CN是通过使用二氧化碳吸收单元91分离和除去循环气体中的二氧化碳的计数，当二氧化碳浓度DenCO2等于或高于预定高浓度(高阈值)DenCO2thH时执行二氧化碳的分离和除去。
更具体地，CPU在适当的时刻开始执行从步骤700到步骤705的程序，步骤705中CPU确定当前时刻是否是二氧化碳分离执行标记F的值从“0”变为“1”之后紧接(二氧化碳分离执行标记F的值从“0”变为“1”)的时刻。如果当前时刻不是二氧化碳分离执行标记F的值从“0”变为“1”之后紧接的时刻，则在步骤705中CPU确定为“否”以执行步骤795，在步骤795中CPU暂时结束本程序。相应地，二氧化碳吸收计数器CN的值未改变。
另一方面，如果当前时刻是二氧化碳分离执行标记F的值从“0”变为“1”之后紧接的时刻，则在步骤705中CPU确定为“是”以执行步骤710。步骤710中CPU使二氧化碳吸收计数器CN的值加1。二氧化碳吸收计数器CN的值存储到后备(back up)RAM中。接下来，CPU确定二氧化碳吸收计数器CN的值是否等于或大于预定计数CNth。如果二氧化碳吸收计数器CN的值小于预定计数CNth，则CPU确定为“否”以执行步骤795暂时结束本程序。相应地，维护允许标记XMT的值保持为“0”。
此后，当二氧化碳分离执行标记F的值从“0”变为“1”的次数增加时，二氧化碳吸收计数器CN的值变得等于或大于预定计数CNth。在这种情况下，当CPU执行步骤715时，CPU在步骤715中确定为“是”以执行CPU将维护允许标记XMT的值设定为“1”的步骤720。随后，CPU执行步骤725将二氧化碳吸收计数器CN的值设定为“0”，并执行步骤795暂时结束本程序。
如上所述，根据第二实施例的氢发动机通过产物除去器件(包括二氧化碳吸收单元91的产物除去部90)从循环气体中除去(去除)二氧化碳。因此，氢发动机10能持续高热效率地工作。
此外，在根据第二实施例的氢发动机中，产物除去器件(产物除去部90)包括，
吸收材料(MEA溶液91b)，其用于吸收产物(二氧化碳)；
作为促使分离器件的加热器91c，其用于增加MEA溶液91b的物理反应(热)以促使被MEA溶液91b吸收(或被吸收到MEA溶液91b中)的二氧化碳从MEA溶液91b中分离出来；
排出开口(部)和用于将通过加热器91c分离的二氧化碳排放到循环通道(包括旁通通道)外部的二氧化碳排出通道95；及
排出阀97，其用于保持二氧化碳排出通道95开启的开启状态或二氧化碳排出通道95关闭的关闭状态(用于开启或关闭二氧化碳排出通道95)。
相应地，被吸收到作为吸收材料的MEA溶液91b中(被MEA溶液91b吸收)的产物(二氧化碳)通过作为促使分离器件的加热器91c从MEA溶液91b中分离出来。因此，MEA溶液91b能恢复其吸收二氧化碳的能力。结果，同一个(单一)二氧化碳吸收单元91(产物除去器件)能长时间使用而无需替换二氧化碳吸收单元91。
需注意的是，在上述实施例中，步骤705和步骤715构成用于确定作为吸收材料的MEA溶液91b吸收的二氧化碳的量是否大于或等于预定量的确定器件。该确定器件能用其他确定累计时间是否等于或长于预定时间的确定器件替换，累计时间是从通过向加热器91c供给电能吸收材料吸收二氧化碳的能力重新恢复时(即从最后(先前)执行维护操作时起)起氢发动机工作的总时间。此外，确定器件仍能用其他确定从执行最后维护操作时起供给到氢发动机的氢气的累计量是否等于或大于预定量的确定器件替换。
【第二实施例的改进】
改进的第二实施例的使用循环工作气体的氢发动机与第二实施例的氢发动机的区别仅在于用沸石吸收剂取代单乙醇胺溶液91b填充于二氧化碳吸收单元91。与单乙醇胺溶液91b相似，当沸石吸收剂的温度通过加热变高时，沸石吸收剂排出(或释放)其吸收的二氧化碳。因此，通过上述维护操作能够恢复沸石吸收剂吸收二氧化碳的能力。
【第三实施例】
根据本发明的第三实施例的使用循环工作气体的氢发动机与第一实施例的氢发动机的区别仅在于用图8中流程图所示的CPU执行的三通阀控制程序代替图4所示的第一(或第二)实施例中CPU执行的三通阀控制程序，第三实施例的氢发动机不包括二氧化碳浓度传感器85。因此，以下将主要描述不同之处。
第三实施例的氢发动机基于氢发动机的工作累计时间(或发动机工作的总时间)来估算循环气体中的二氧化碳的浓度，并且当累计时间等于或大于预定时间时通过使用二氧化碳吸收单元71来分离和除去二氧化碳。
更具体地，每当经过预定时间，CPU开始执行图8所示的从步骤800到步骤805的程序。步骤805中CPU使工作累计计时器TD的值加“1”，工作累计计时器TD的值表示氢发动机的工作累计时间。工作累计计时器TD的值存储在后备RAM中。接下来，CPU执行步骤810确定工作累计计时器TD的值是否等于或大于预定时间(工作时间周期阈值)TDth。
现在，将描述工作累计计时器TD的值小于预定时间TDth，且不执行使用二氧化碳吸收单元71分离或除去二氧化碳(二氧化碳分离执行标记F为“0”)的情形。在这种情况下，在步骤810中CPU确定为“否”，在步骤815中确定为“否”，其中，步骤815中CPU确定二氧化碳分离执行标记F的值是否为“1”。从而，CPU执行步骤895暂时结束本程序。
结果，从燃烧室21排出的废气(循环气体)在由第一通道61、第二通道62、第三通道63、第四通道64及第五通道65构成的主通道中循环。换句话说，从燃烧室21排出的废气不流经二氧化碳吸收单元71。
此后，当氢发动机工作时，通过步骤805使工作累计计时器TD的值增加，并且最终变得等于或大于预定时间TDth。在这种情况下，在步骤805后的步骤810中CPU确定为“是”，并且CPU执行步骤820，在步骤820中CPU以三通阀72的入口部变为与三通阀72的与旁通上游通道73相连的那一个出口部相连接(或连通)的方式控制(切换)三通阀72。
结果，流经第二通道62的循环气体不流经第三通道63，而是流经二氧化碳吸收单元71(流经容纳在二氧化碳吸收单元71的通道中的单乙醇胺溶液71b)。因此，循环气体中所包含的二氧化碳被单乙醇胺溶液71b吸收(或被吸收到单乙醇胺溶液71b中)从而与循环气体分离。二氧化碳已被分离的循环气体从连接点PG经由容器71a的出口部和旁通下游通道74供给到第四通道64。此后，CPU执行步骤825将二氧化碳分离执行标记F的值设定为“1”，并执行步骤830将工作累计计时器TD的值设定为“0”。然后，CPU执行步骤895暂时结束本程序。
当在此状态下CPU开始执行图8的步骤800时，CPU经由步骤805进入步骤810。当前时刻是工作累计计时器TD的值返回为“0”之后紧接的时刻。因此，工作累计计时器TD的值充分小于预定时间TDth。相应地，CPU在步骤810中确定为“否”以执行步骤815，在步骤815中CPU确定二氧化碳分离执行标记F的值是否为“1”。
在当前时刻，二氧化碳分离执行标记F的值在先前步骤825中设定为“1”。因此，CPU在步骤815中确定为“是”以执行步骤835，在步骤835中CPU确定从二氧化碳分离执行标记F的值由“0”变为“1”的时刻起是否已经经过预定时间(二氧化碳分离期间)TSth。需注意的是，时间TSth充分短于时间TDth。在当前时刻，从二氧化碳分离执行标记F的值由“0”变为“1”的时刻起，还没有经过预定时间TSth。因此，CPU在步骤835中确定为“否”以执行步骤895CPU暂时结束本程序。
假定当从二氧化碳分离执行标记F的值由“0”变为“1”的时刻起已经过预定时间TSth时，主通道中的二氧化碳浓度DenCO2低于预定低浓度DenCO2thL。这样，当从二氧化碳分离执行标记F的值由“0”变为“1”的时刻起已经过预定时间TSth时，CPU在步骤800到步骤815后的步骤835中确定为“是”以执行步骤840。在步骤840中，CPU以三通阀72的入口部变为与三通阀72的与第三通道63相连的另一个出口部相连的方式控制三通阀72。相应地，从燃烧室21排出的废气重新在由第一到第五通道61-65构成的主通道中循环。此后，CPU在步骤845中将二氧化碳分离执行标记F的值设为“0”，并执行步骤895暂时结束本程序。
如上所述，根据第三实施例的氢发动机包括基于氢发动机的工作累计时间TD估算二氧化碳浓度(对应于步骤805)的二氧化碳浓度估算器件。当累计时间TD长于预定时间TDth时，氢发动机确定二氧化碳浓度过大，于是，通过二氧化碳吸收单元71从循环气体中分离二氧化碳。相应地，氢发动机可低成本设置，因为不需要采用第一实施例中使用的昂贵的二氧化碳浓度传感器85。
需注意的是，在第三实施例中，二氧化碳吸收单元71中所包含的单乙醇胺溶液71b可以用沸石吸收剂替代。此外，与第二实施例类似，加热器91c可以设置在容器71a周围，当有需要时，使其产生热以便恢复单乙醇胺溶液71b或者沸石吸收剂吸收二氧化碳的能力。
【第四实施例】
根据本发明的第四实施例的使用循环工作气体的氢发动机与第一实施例的氢发动机的区别仅在于用如图9和图10中流程图所示的CPU执行的程序代替图4中第一(或第二)实施例中CPU执行的三通阀控制程序，第四实施例的氢发动机包括检测特定气缸的燃烧室21中的压力(气缸压力)的气缸压力传感器，其代替二氧化碳浓度传感器85。因此，以下将主要描述不同之处。
根据第四实施例的氢发动机基于当特定气缸的曲轴转角与靠近压缩行程上死点的预定曲轴转角一致(特定气缸压缩行程上死点前At°)时获得的特定气缸的气缸压力来估算循环气体中二氧化碳的浓度。当获得的气缸压力(以下称为“特定气缸压力”)变得等于或小于预定压力时，氢发动机使用二氧化碳吸收单元71来吸收和分离二氧化碳。换句话说，当特定气缸压力变得等于或小于预定压力时，氢发动机确定循环气体中二氧化碳浓度等于或高于预定高浓度(高阈值)DenCO2thH。
更具体地，每当经过预定时间，CPU从步骤900开始执行图9所示的程序。需注意的是，与图4中所示的一些步骤相同的图9中所示的一些步骤使用与图4相同的符号，并省略对它们的详细描述。
CPU从步骤900进入步骤905以获得二氧化碳浓度指示值IND。在本实施例中，二氧化碳浓度指示值IND是当特定气缸的曲轴转角与特定气缸压缩行程上死点前At°一致时的特定气缸的气缸压力(特定气缸压力)。特定气缸压力通过以下描述的图10的程序获得。
接下来，CPU执行步骤910以确定二氧化碳浓度指示值IND所指示的二氧化碳的浓度等于或高于与预定高浓度DenCO2thH对应的浓度。更具体地，在步骤910中，CPU确定特定气缸压力Pcyl(＝IND)是否等于或小于预定气缸压力Pcylth。
二氧化碳是由三个原子构成的气体，因此，它的比热比小于由单原子气体构成的作为工作气体的氩气的比热比。因此，靠近压缩行程端点(end)的气缸压力(靠近上死点的预定曲轴转角)随着循环气体中的二氧化碳浓度的变高而变小。因此，特定气缸压力Pcyl等于或小于预定气缸压力Pcylth的事实意味着(表示)循环气体中所包含的二氧化碳的浓度变得等于或高于与预定高浓度DenCO2thH对应的浓度。换句话说，预定气缸压力Pcylth选择为与预定高浓度DenCO2thH对应的值。
如果二氧化碳浓度指示值IND所指示的二氧化碳的浓度等于或高于上述与预定高浓度DenCO2thH对应的浓度，则CPU执行步骤420和步骤425。结果，流经第二通道62的循环气体不流经第三通道63，而是流经二氧化碳吸收单元71。因此，循环气体中所包含的二氧化碳被单乙醇胺溶液71b吸收(或被吸收到单乙醇胺溶液71b中)从而从循环气体中分离出来。
另一方面，当CPU执行步骤910时如果二氧化碳浓度指示值IND所指示的二氧化碳的浓度不等于或高于上述与预定高浓度DenCO2thH对应的浓度，则CPU执行步骤415以确定二氧化碳分离执行标记F的值是否为“1”。此时，如果二氧化碳分离执行标记F的值为“1”，并且在步骤915中确定二氧化碳浓度指示值IND所指示的二氧化碳的浓度等于或低于与上述预定低浓度DenCO2thL对应的浓度，则CPU执行步骤435和步骤440。
结果，停止二氧化碳吸收单元71对二氧化碳的分离和吸收，这样从燃烧室21排出的废气重新在由第一到第五通道61-65构成的主通道中循环。
此外，每当经过预定时间，CPU开始执行图10所示的程序。因此，CPU在适当的时间开始从步骤1000执行到步骤1010。在步骤1010中CPU确定特定气缸的曲轴转角是否与气缸靠近压缩行程上死点或在压缩行程上死点之前的预定曲轴转角(BTDC At°)一致。预定曲轴转角(BTDC At°)选择为在从氢喷射阀35的氢气喷射正时之前的曲轴转角。
如果特定气缸的曲轴转角与气缸压缩行程上死点前的预定曲轴转角(At°)一致，则CPU执行步骤1020以获得气缸压力Pcyl作为特定气缸压力(二氧化碳浓度指示值)IND，然后执行步骤1095暂时结束本程序。另一方面，如果特定气缸的曲轴转角与气缸压缩行程上死点前的预定曲轴转角(At°)不一致，则CPU直接从步骤1010行进到步骤1095暂时结束本程序。
如上所述，根据第四实施例的氢发动机包括，
获取气缸压力Pcyl的气缸压力获取器件(气缸压力传感器和图10所示的程序)，上述气缸压力Pcyl是当氢发动机的曲轴转角(特定气缸的曲轴转角)与靠近压缩行程上死点的预定曲轴转角一致时特定汽缸的燃烧室中的压力；及
切换控制器件(步骤420等)，其以如下方式切换路径切换器件(三通阀72)：当获得的气缸压力Pcyl(＝IND)小于预定压力Pcylth时，使流经分支点PB上游的主通道(第二通道62)的气体流经分支点PB和连接点PG之间(或从分支点PB到连接点PG)的包括旁通上游通道73、旁通下游通道74和容器71a中形成的通道的旁通通道。
相应地，因为循环气体中的二氧化碳通过作为产物除去器件的二氧化碳吸收单元71从循环气体中除去，所以能够避免氢发动机效率的降低。此外，因为除非有必要否则循环气体不流经具有流动高通道阻力的旁通通道(因此，二氧化碳吸收单元71)，所以能够避免发动机效率的降低。
【第五实施例】
根据本发明的第五实施例的使用循环工作气体的氢发动机与第一实施例的氢发动机的区别仅在于用图9和图11中流程图所示的CPU执行程序代替图4所示的第一(或第二)实施例中CPU执行的三通阀控制程序，第五实施例的氢发动机包括检测特定气缸燃烧室21中的压力(气缸压力)的气缸压力传感器，其代替二氧化碳浓度传感器85。因此，以下将主要描述不同之处。
与其他实施例中的发动机类似，根据第五实施例的氢发动机是一种将氢气喷射到高温高压气体中以用于扩散燃烧的发动机。因此，随着循环气体中的二氧化碳浓度的变高，燃烧速度(速率)变低，相应地，自燃正时延迟。考虑到这个因素，氢发动机基于作为二氧化碳浓度指示值IND的气缸压力而获得自燃正时。此外，当获得的自燃正时迟滞于参考自燃正时时，氢发动机通过使用二氧化碳吸收单元71吸收和分离二氧化碳。换句话说，当获得的自燃正时迟滞于参考自燃正时的时候，氢发动机确定循环气体中的二氧化碳浓度等于或高于预定高浓度(高阈值)DenCO2thH。
更具体地，每当经过预定时间，CPU开始从步骤900执行图9所示的程序。在步骤905和步骤910中，本实施例的发动机使用自燃正时作为二氧化碳浓度指示值IND以确定自燃正时是否迟滞于参考自燃正时。自燃正时通过图11所示的程序获得。参考自燃正时设定为当二氧化碳浓度与上述预定高浓度DenCO2thH一致时所获得的自燃正时。
此外，在步骤915中，自燃正时被用做二氧化碳浓度指示值IND，确定自燃正时是否相对于超前侧参考自燃正时处于超前侧，所述超前侧参考自燃正时相对于参考自燃正时超前了预定的曲轴转角。上述超前侧参考自燃正时被设定为当二氧化碳的浓度与上述预定低浓度DenCO2thL一致时所获得的自燃正时(值)。图9所示的其他部分已经在第四实施例中解释过了，因此，省略对其的详细描述。
图11所示的程序是获得用曲轴转角表示的自燃正时作为二氧化碳浓度指示值IND的的程序。每当经过预定时间，CPU开始从步骤1100执行本程序，并执行步骤1110确定特定气缸的曲轴转角是否在特定气缸的压缩行程的上死点和膨胀行程的下死点之间。如果特定气缸的曲轴转角不在特定气缸的压缩行程的上死点和膨胀行程的下死点之间，则CPU在步骤1110中确定为“否”以直接执行步骤1195暂时结束本程序。
另一方面，如果在步骤1110中在确定时刻，特定气缸的曲轴转角在特定气缸的压缩行程的上死点和膨胀行程的下死点之间，则CPU通过以下描述的步骤1120-1140获得气缸压力变为最大压力时的曲轴转角θ作为自燃正时(即二氧化碳浓度指示值IND)。
步骤1120：CPU确定当前气缸压力Pcyl(当前)是否等于或小于前次执行本程序(即预定时间之前)时获得的气缸压力Pcyl(-1)。如果当前气缸压力Pcyl(当前)等于或小于气缸压力Pcyl(-1)，则CPU执行步骤1130。否则，CPU直接执行步骤1195暂时结束本程序。
步骤1130：CPU确定前次气缸压力Pcyl(-1)是否大于再前次执行本程序(即预定时间的二倍前)时获得的气缸压力Pcyl(-2)。如果前次气缸压力Pcyl(-1)大于再前次气缸压力Pcyl(-2)，则CPU执行步骤1140。否则，CPU直接执行步骤1195暂时结束本程序。
从步骤1110到步骤1130中全部步骤确定为“是”意味着(表示)当前时刻是特定气缸的压缩行程的上死点和膨胀行程的下死点之间，且气缸压力变得最大。考虑到此，在步骤1140中CPU获得当前曲轴转角θ作为二氧化碳浓度指示值IND。在图9所示的程序中，获得的曲轴转角θ作为二氧化碳浓度指示值IND，曲轴转角θ是自燃正时或与自燃正时对应的时刻。
如上所述，自燃正时是二氧化碳浓度指示值，是代表氢发动机的燃烧状态的燃烧状态指示值。根据第五实施例的氢发动机包括，
获取燃烧状态指示值(自燃正时)的燃烧状态指示值获取器件(气缸压力传感器和图11所示的程序)；及
切换控制器件(步骤420等)，其以如下方式切换路径切换器件(三通阀72)：当获得的燃烧状态指示值指出燃烧状态比预定燃烧状态差时，即当由于二氧化碳浓度过高而导致自燃正时迟滞于预定时刻(参考自燃正时)时，使流经分支点PB上游的主通道(第二通道62)的气体流经分支点PB和连接点PG之间(或从分支点PB到连接点PG)的包括旁通上游通道73、旁通下游通道74及在容器71a中形成的通道的旁通通道。
相应地，因为作为产物除去器件的二氧化碳吸收单元71将循环气体中导致燃烧状态恶化的二氧化碳除去，所以能够避免氢发动机热效率的降低。此外，因为除非有必要否则循环气体不流经具有流动高通道阻力的旁通通道(因此，二氧化碳吸收单元71)，所以能够避免发动机效率的降低。
【第六实施例】
根据本发明的第六实施例的使用循环工作气体的氢发动机与第一实施例的氢发动机的区别仅在于用图9和图12中流程图所示的CPU执行程序代替图4所示的第一(或第二)实施例中CPU执行的三通阀控制程序，第六实施例的氢发动机包括检测特定气缸燃烧室21中的压力(气缸压力)的气缸压力传感器，其代替二氧化碳浓度传感器85。因此，以下将主要描述不同之处。
与其他实施例中的发动机类似，根据第六实施例的氢发动机是一种将氢气喷射到高温高压气体中以用于扩散燃烧的发动机。因此，随着循环气体中二氧化碳浓度变高，燃烧速度的下降导致了下述燃烧状态的波动(改变)变大。
考虑到此，氢发动机获得燃烧波动率，并将获得的燃烧波动率用作二氧化碳浓度指示值IND。此外，当获得的燃烧波动率等于或大于参考燃烧波动率时，氢发动机通过使用二氧化碳吸收单元71吸收和分离二氧化碳。换句话说，当燃烧波动率等于或大于参考燃烧波动率时，氢发动机确定循环气体中二氧化碳的浓度变得等于或高于预定高浓度(高阈值)DenCO2thH。
更具体地，每当经过预定时间，CPU开始从步骤900执行图9所示的程序。在步骤905和步骤910中，本实施例的发动机将燃烧波动率用作二氧化碳浓度指示值IND以确定燃烧波动率是否等于或大于参考燃烧波动率。燃烧波动率通过图12所示的程序获得。参考燃烧波动率设定为与当二氧化碳浓度与上述预定高浓度DenCO2thH一致时获得的燃烧波动率对应的值。
此外，在步骤915中，燃烧波动率被用作二氧化碳浓度指示值IND，并确定燃烧波动率是否小于较参考燃烧波动率小的稳定燃烧波动率。稳定燃烧波动率设定为与当二氧化碳的浓度与上述预定低浓度DenCO2thL一致时获得的燃烧波动率对应的值。图9所示的其他部分已经在第四实施例中解释过了，因此，省略对其的详细描述。
图12所示的程序是获得燃烧波动率作为二氧化碳浓度指示值IND的程序。每当经过预定时间，CPU开始从步骤1200执行本程序，并执行步骤1210使取样计数器N的值加“1”。接下来，在步骤1220中，CPU确定取样计数器N的值是否等于或大于预定值Nth。如果取样计数器N的值不等于或大于预定值Nth，则在步骤1220中CPU确定为“否”，以直接执行步骤1295暂时结束本程序。
另一方面，在步骤1220的确定时刻，如果取样计数器N的值等于或大于预定值Nth，则CPU通过执行下述步骤1230-1250获得燃烧波动率(σPmi/PmiAve)作为二氧化碳浓度指示值IND。
步骤1230：CPU获得指示平均有效压力Pmi的最后N个的平均值作为平均值PmiAve。特定气缸各循环的指示平均有效压力Pmi根据常规方法基于气缸压力传感器和曲轴转角的输出而获得。
步骤1240：CPU根据图12的步骤1240的方框所示的公式计算指示平均有效压力的波动值σPmi。也即，为了计算最后N个指示平均有效压力Pmi，CPU获得指示平均有效压力Pmi和平均值PmiAve的差的平方的平方根，对这些获得的值求和以获得波动值σPmi。
步骤1250：CPU获得燃烧波动率(σPmi/PmiAve)作为二氧化碳浓度指示值IND，所述燃烧波动率(σPmi/PmiAve)是用获得的波动值σPmi除以指示平均有效压力Pmi的平均值PmiAve而获得的。因此，在图9的程序中，获得的燃烧波动率(σPmi/PmiAve)被用作二氧化碳浓度指示值IND。
如上所述，燃烧波动率(σPmi/PmiAve)是二氧化碳浓度指示值，也是代表氢发动机的燃烧状态的燃烧状态指示值。根据第六实施例的氢发动机包括，
获取燃烧状态指示值(燃烧波动率)的燃烧状态指示值获取器件(气缸压力传感器和图12所示的程序)；及
切换控制器件(步骤420等)，其以如下方式切换路径切换器件(三通阀72)：当获得的燃烧状态指示值指出燃烧状态比预定燃烧状态差时，即当由于二氧化碳浓度过高导致燃烧波动率(σPmi/PmiAve)大于参考燃烧波动率时，使流经分支点PB上游的主通道(第二通道62)的气体流经分支点PB和连接点PG之间(或从分支点PB到连接点PG)的包括旁通上游通道73、旁通下游通道74及在容器71a中形成的通道的旁通通道。
相应地，因为作为产物除去器件的二氧化碳吸收单元71将循环气体中导致燃烧状态恶化的二氧化碳除去，所以能够避免氢发动机热效率的降低。此外，因为除非有必要否则循环气体不流经具有流动高通道阻力的旁通通道(因此，二氧化碳吸收单元71)，所以能够避免发动机效率的降低。
【第七实施例】
根据本发明的第七实施例的使用循环工作气体的氢发动机与第一实施例的氢发动机的区别仅在于用图9和图13中流程图所示的CPU执行程序代替图4所示第一(或第二)实施例中CPU执行的三通阀控制程序，第七实施例的氢发动机包括检测特定气缸燃烧室21中的压力(气缸压力)的气缸压力传感器，其代替二氧化碳浓度传感器85。因此，以下将主要描述不同之处。
如上所述，二氧化碳气体的比热小于氩气的比热。因此，氢发动机的热效率随着循环气体中二氧化碳浓度的变高而降低。考虑到这个因素，该氢发动机计算氢发动机的指示热效率以将其作为二氧化碳浓度指示值IND。此外，当获得的指示热效率等于或低于参考指示热效率时，氢发动机通过使用二氧化碳吸收单元71吸收和分离二氧化碳。换句话说，当获得的指示热效率等于或低于参考指示热效率时，氢发动机确定循环气体中二氧化碳的浓度等于或高于预定高浓度(高阈值)DenCO2thH。
更具体地，每当经过预定时间，CPU开始从步骤900执行图9所示的程序。在步骤905和步骤910中，本实施例的发动机将指示热效率用作二氧化碳浓度指示值IND以确定指示热效率是否等于或低于参考指示热效率。指示热效率通过图13所示的程序获得。参考指示热效率设定为与当二氧化碳的浓度与上述预定高浓度DenCO2thH一致时所获得的指示热效率对应的值。
此外，在步骤915中，指示热效率被用作二氧化碳浓度指示值IND，确定指示热效率是否等于或高于比参考指示热效率高的高参考指示热效率。高参考指示热效率设定为与当二氧化碳的浓度与上述预定低浓度DenCO2thL一致时所获得的指示热效率对应的值。图9所示的其他部分已经在上述第四实施例中解释过了，因此省略对其的详细描述。
图13所示的程序是获得指示热效率作为二氧化碳浓度指示值IND的程序。每当经过预定时间，CPU开始从步骤1300执行本程序，并执行步骤1310基于根据特定气缸的气缸压力(从气缸压力传感器输出)P和该气缸的燃烧室的容积V绘制的压力-容积图(P-V图)来计算指示功Q1。接下来，在步骤1320中，CPU计算在一个循环中喷射到特定气缸内的氢气的量，其中基于所需氢气的量SH2或者氢气喷射时间TAU来获得指示功Q1，此后，基于喷射到特定气缸内的氢气的量计算供给到特定气缸的能量Q0。
接下来，CPU执行步骤1330获得指示热效率(Q1/Q0)作为二氧化碳浓度指示值IND，所述指示热效率(Q1/Q0)是用指示功Q1除以能量Q0而得的值。在图9所示的程序中，将获得的指示热效率(Q1/Q0)用作二氧化碳浓度指示值IND。
如上所述，指示热效率(Q1/Q0)是二氧化碳浓度指示值，也是代表氢发动机的燃烧状态的燃烧状态指示值。根据第七实施例的氢发动机包括，
获取燃烧状态指示值(指示热效率)的燃烧状态指示值获取器件(气缸压力传感器和图13所示的程序)；及
切换控制器件(步骤420等)，其以如下方式切换路径切换器件(三通阀72)：当获得的燃烧状态指示值指出燃烧状态比预定燃烧状态差时，即当由于二氧化碳的浓度过高导致获得的指示热效率(Q1/Q0)等于或低于参考指示热效率时，使流经分支点PB上游的主通道(第二通道62)的气体流经分支点PB和连接点PG之间(或从分支点PB到连接点PG)的包括旁通上游通道73、旁通下游通道74及在容器71a中形成的通道的旁通通道。
相应地，因为作为产物除去器件的二氧化碳吸收单元71将循环气体中导致燃烧状态恶化的二氧化碳除去，所以能够避免氢发动机热效率的降低。此外，因为除非有必要否则循环气体不流经具有流动高通道阻力的旁通通道(因此，二氧化碳吸收单元71)，所以能够避免发动机效率的降低。
如上所述，根据本发明的实施例的每个使用循环工作气体的氢发动机及它们的系统从循环气体中分离和除去(移除)不可避免地产生和包含在循环气体中的二氧化碳。因此，上述构造的氢发动机可以持续高热效率地工作。
需指出的是本发明并不局限于上述实施例，而是可以被适当地修改而不脱离本发明的范围。例如，发动机10利用氢气扩散燃烧，但是，氢发动机可以是氢气压缩自燃的发动机或是氢气通过用设置在燃烧室21上的火花塞火花点火传播火焰燃烧的发动机。
此外，在上述的各个氢发动机中，将氢气直接喷射到燃烧室中。但是，氢喷射阀35可以使氢气从氢喷射阀35喷射到进气口31的方式设置。此外，上述各个实施例中，将氩气用作工作气体。但是，其他任何比热比高于二氧化碳的比热比的单原子气体(例如，除氩气之外的其他惰性气体如HE等)也可用作工作气体。
此外，在上述的各个氢发动机中，将二氧化碳作为燃烧室产生(形成)的除H2O之外的产物从循环气体中除去(移除)。但是，其他产物(如Nox和/或HC)可用类似的方式从循环气体中除去。此外，用MEA溶液或沸石吸收剂作为吸收二氧化碳的材料。但是，MEA溶液或沸石吸收剂可使用其他能选择性地吸收应该被除去的二氧化碳等产物的材料代替。
更进一步，能将自燃正时的波动率用作二氧化碳浓度指示值IND和/或燃烧状态指示值。此外，如果氢发动机是氢气通过使用火花点火传播火焰的发动机，火焰传播速度随着二氧化碳浓度的变高而变低。相应地，压缩行程(或膨胀行程)期间的气缸压力随着二氧化碳浓度的变高而逐渐改变。因此，例如，压缩行程中气缸压力的变化率或方式可以被用作二氧化碳浓度指示值IND和/或燃烧状态指示值。

Claims (10)

1.一种使用循环工作气体的氢发动机，其中氢气、氧气和由单原子气体构成的工作气体被供给到燃烧室以使所述氢气燃烧，并且从所述燃烧室排出的废气中包含的所述工作气体通过循环通道被循环到所述燃烧室，所述氢发动机具有设置在所述循环通道中的用于除去所述燃烧室中产生的除H2O之外的产物的产物除去器件，其中
所述循环通道包括主通道和在分支点处从所述主通道分出并在所述分支点下游的连接点处连接到所述主通道的旁通通道，所述产物除去器件设置在所述旁通通道中，
所述氢发动机进一步包括用于选择使流经所述分支点上游的所述主通道的气体从所述分支点向所述连接点流经所述主通道的第一状态或使流经所述分支点上游的所述主通道的气体从所述分支点向所述连接点流经所述旁通通道的第二状态的路径切换器件。
2.如权利要求1所述的使用循环工作气体的氢发动机，其中所述产物除去器件构造为除去作为所述燃烧室中产生的除H2O之外的产物的二氧化碳。
3.如权利要求2所述的使用循环工作气体的氢发动机，其中所述产物除去器件包括，
具有构成所述循环通道的一部分的通道的容器；及
包含在所述容器的所述通道中的单乙醇胺溶液或者包含在所述容器的所述通道中的沸石吸收剂。
4.如权利要求1所述的使用循环工作气体的氢发动机，其中所述产物除去器件包括，
吸收材料，其用于吸收所述产物；
促使分离器件，其用于以促使被所述吸收材料吸收的产物从所述吸收材料中分离出的方式对所述吸收材料施加物理作用；及
排出开口部，其用于将从所述吸收材料中分离出的产物排放到所述循环通道的外部。
5.如权利要求4所述的使用循环工作气体的氢发动机，其中
所述吸收材料是通过溶解二氧化碳来吸收作为所述产物的二氧化碳的单乙醇胺溶液或是通过吸附二氧化碳来吸收二氧化碳的沸石吸收剂；及
所述促使分离器件是用于加热所述吸收材料的加热器件。
6.如权利要求2所述的使用循环工作气体的氢发动机，进一步包括
二氧化碳浓度获取器件，其用于获取流经所述主通道的气体中包含的二氧化碳的浓度；及
切换控制器件，其用于以如下的方式切换所述路径切换器件：当获得的二氧化碳的浓度高于预定浓度时，使流经所述分支点上游的所述主通道的气体流经所述分支点和所述连接点之间的所述旁通通道。
7.如权利要求6所述的使用循环工作气体的氢发动机，其中所述二氧化碳浓度获取器件是检测所述二氧化碳浓度的二氧化碳浓度传感器。
8.如权利要求6所述的使用循环工作气体的氢发动机，其中所述二氧化碳浓度获取器件是基于所述氢发动机工作的累计时间段来估算所述二氧化碳浓度的二氧化碳浓度估算器件。
9.如权利要求1所述的使用循环工作气体的氢发动机，进一步包括
气缸压力获取器件，其用于获取气缸压力，所述气缸压力是当所述发动机的曲轴转角与靠近压缩行程的上死点的预定曲轴转角一致时燃烧室中的压力；及
切换控制器件，其用于以如下方式切换所述路径切换器件：当获得的气缸压力小于预定压力时，使流经所述分支点上游的所述主通道的气体流经所述分支点和所述连接点之间的所述旁通通道。
10.如权利要求1所述的使用循环工作气体的氢发动机，进一步包括
燃烧状态指示值获取器件，其用于获取指示所述发动机中的燃烧状态的燃烧状态指示值；及
切换控制器件，其用于以如下方式切换所述路径切换器件：当获得的燃烧状态指示值指示出所述燃烧状态比预定燃烧状态差时，使流经所述分支点上游的所述主通道的气体流经所述分支点和所述连接点之间的所述旁通通道。
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