CN103362639B - 将氢注入发动机内的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明是将氢注入发动机内的方法和装置。涉及一种发动机系统，其包括：将排气从发动机排出的排气系统；涡轮增压器，其包括将空气引向发动机的压缩机和涡轮，所述涡轮沿排气系统提供并由用于向所述压缩机供应动力的排出排气驱动；氢输送装置，其适于向排气系统输送氢，使得氢可以燃烧和膨胀，从而增加涡轮的速度。增加的涡轮操作速度减轻涡轮滞后并增加发动机的响应性。

Description

将氢注入发动机内的方法和装置

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年3月26日提交的英国专利申请No.1205221.3的优先权，其全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明涉及用于将氢注入发动机内的方法和装置。尤其是，本发明涉及将氢注入车辆的发动机内，以便增加涡轮增压器的速度。

背景技术

在涡轮增压发动机中，涡轮增压器可以包括用以压缩来自大气的空气进气的压缩机或排气再循环(EGR)系统，以便将其输送到发动机中供燃烧。通过增加进入发动机的空气的质量，增加了燃烧能量的膨胀力，从而增加了可用的扭矩和动力以及效率。

压缩机可以被联接到排气系统内的高速涡轮。涡轮可将动能和压力的势能转换为可以被输送到压缩机以便提供动力的功。

涡轮增压器的增压可以响应于工况，并且可以被启动以便实现加速。涡轮增压器的启动可以被称为涡轮增压。在响应节气门变化启动涡轮增压的系统中，实现增压需要首先启动涡轮的能量转换能力，功量的累积，传递累积的功到压缩机，压缩进气充气，接着将压缩的进气输送到发动机中供燃烧。节气门致动与增压的充气在发动机中燃烧之间的延时被称为涡轮滞后。

当从空转速度加速时，涡轮滞后可以被驾驶员感受为节气门响应的迟缓。涡轮滞后降低了车辆对驾驶员的响应能力，从而降低了驾驶舒适度和控制性。

较新的发动机的增加的动力系数需求加剧了涡轮滞后。更大的动力需求有赖于涡轮增压期间，被输送到发动机的更大压缩空气量。为了压缩增加的空气量，从涡轮被传递到压缩机的功量必须类似地增加。不过，增加的功量的累积需要时间，因此，在涡轮增压与节气门致动之间逝去更多的时间，从而增加了涡轮滞后。

人们已经设计了解决增加的涡轮滞后的各种解决方案。对于柴油发动机来说，两个最常见的途径是使用可变喷嘴涡轮(VNT)或双涡轮增压器，其中一个大的涡轮增压器用于动力以及一个小的涡轮增压器用于增强的响应能力。不过，这些解决方案是体积庞大的、昂贵的并且对控制性提出挑战的。

氢注入被用于改善发动机的性能。例如在O’Bireck名下的US20100043730描述了用于具有涡轮增压器的发动机的氢生成系统，其在涡轮增压期间，生成额外的动力。O’Bireck公开了将氢输送到燃料系统，用于和发动机燃料混合。不过，这个专利不提供减轻涡轮滞后的方式。

发明内容

本发明人发现，通过将适于输送氢的氢输送装置包括在排气系统中，使得氢可以燃烧和膨胀，可以提高涡轮的速度并且可以减轻涡轮滞后。进一步地，通过将氢输送到排气中的氧含量相对丰富的涡轮上游的排气系统中，可有助于氢的燃烧。

应当理解提供的上述发明内容是以简化形式介绍本发明选择的原理，其将在具体实施方式中进一步描述。不过，这不意味着指出所要求保护的主题的关键或基本特征，所要求保护的主题范围由附属的权利要求唯一限定。而且，所要求保护的主题不限于解决上述或本公开任何部分中提到的任何缺点的实施方式。

附图说明

图1示出根据本发明的发动机系统的示意图。

图2示出图1的发动机系统的一部分的平面视图。

图3和图4是操作方法的示例。

具体实施方式

图1简要示出包括EGR和氢再循环设备的发动机系统的示例实施例。图2示出包括氢输送装置的4缸直列发动机系统的示例实施例。图3示出发动机操作的操作方法的示例。图4示出发动机操作的替换示例方法。

图1示出可以被包括在车辆的推进系统中的多缸发动机系统10的一个汽缸12。虽然未示出，但是汽缸12可以是直列、V形或者是任何汽缸数量的任何发动机配置的一部分。周围空气可以经由进气口18进入发动机系统。低压节气门76可以由控制系统80经由致动器84致动。节气门76可以由控制系统80经由车辆驾驶员致动的输入设备控制。所述输入设备可以包括加速器踏板86和生成比例踏板位置(PP)信号以便控制节气门76的加速器踏板位置传感器88。节气门76还可以响应于进气系统内的EGR或排气系统内的EGR属性，例如燃料成分。决定节气门76位置的其他条件可以经由传感器82被通信至控制系统80。

进气口18可以被联接到空气过滤器19。充气在行进到涡轮增压器的压缩机32之前，可以穿过空气过滤器19，在涡轮增压器处空气被压缩并被导向发动机汽缸。压缩机32可以是从机械联接的涡轮34接收动力的离心式或径向压缩机，使得压缩机32被致动并压缩空气，作为对涡轮34叶片旋转的响应。压缩机32可以具有围绕进气系统中的轴旋转的叶片，以便穿过压缩机的充气围绕叶片旋转轴线径向加速。通过增加进气充气的总体速度分量，动能增加。因此，在密闭的空间系统内，来自进气充气压力的势能增加。

接着，被压缩的进气空气穿过可选的中冷器40，以便在到达进气歧管16之前，降低空气的温度和体积。高压进气节气门78可以被定位在中冷器40的上游或下游。节气门78可以经由通信联接的控制系统80响应于致动器84由传感器82致动。节气门78可以计量被输送到进气歧管的压缩的充气量。在EGR系统41的下游还可以存在节气门(未示出)，其可以计量输送到发动机的压缩的充气和排气的量。汽缸12可以从流体连接到进气歧管16的进气通道14接收进气空气。进气系统可以包括分别将MAF和MAP信号通信至控制系统80的质量空气流量传感器和歧管压力传感器。

在汽缸填充期间，进气门74可以由控制系统80致动，以便允许充气进入燃烧室供燃烧。燃料可以经由被称为直喷系统中的燃料喷射器60被喷射到燃烧室中。燃料喷射器60可以被安装在接近汽缸12内燃烧室的顶部。在备选实施例中，燃料可以被注入到燃烧室上游的进气系统中的充气中。公开的发动机系统10的实施例可以包括驾驶员可操作的加速器设备(未示出)，以便增加被输送到发动机中供燃烧的燃料量。

汽缸内的充气可以经由火花或压缩来点火并燃烧。燃烧产生的能量可以经由机械联接的活塞70，被传送到曲轴(未示出)。活塞的往复运动可以被转换为曲轴内的旋转运动以向车轮提供动力。在由于火花或压缩点火的燃烧之后，汽缸12可以经由排气门72将燃烧期间产生的气体排出到排气通道22中。从汽缸12排出的排气经由排气通道22传递到排气歧管24。在多缸发动机中，汽缸12的排气可以和来自其他汽缸和燃烧的排气在排气歧管24中混合。

排气的一部分可以经由EGR系统41再循环到进气歧管16。EGR系统41内可以存在一个或更多EGR冷却器，例如冷却器43。EGR流可以响应于发动机状况或排气属性由EGR系统内的EGR节气门(未示出)调节。示出的EGR系统将涡轮34上游的排气系统联接到压缩机32下游的进气系统；这称为高压EGR系统。其他低压EGR系统可以将涡轮34下游的排气系统联接到压缩机32上游或下游的进气系统。进一步的实施例可以包括高压和低压EGR系统两者。

EGR系统可以包括通信联接于控制系统80的若干阀/气门和旁路，并且可以响应于发动机的工况、进气系统状况、排气系统状况、排气温度或燃料浓度。剩余的排气可以穿过涡轮增压器的涡轮34并驱动涡轮增压器的涡轮34。

由排气驱动的涡轮34可以给压缩机32提供动力。接着，排气可以经由排气后处理设备42流入大气中。可以包括涡轮34和压缩机32的涡轮增压器可以体现为双涡轮增压器、蜗壳涡轮增压器或可变几何形状的涡轮增压器。

双涡轮增压器的实施例可以包括两个涡轮增压器，每个具有单独的压缩机和涡轮。各涡轮增压器可以串联或并联工作，并且可以经由控制系统80通信联接。并联布置的双涡轮增压器中的每个可以流体联接于单独的汽缸，以便他们中的每个从燃烧接收排气的一部分。供选择地，他们可以被联接到分支到涡轮上游的双路径内的单排气歧管，使得每个路径被分别联接到单个涡轮。串联配置可以由具有指令的控制器操作，所述控制器的指令在低发动机转速和/或负荷运行第一涡轮增压器，并且在高转速和/或负荷运行第二涡轮增压器。高转速/负荷涡轮增压器可以被激活，作为对超过特定发动机负荷或车辆速度阈值的响应。

通过实施两个更小的涡轮增压器，其中每个小涡轮增压器比大涡轮增压器更好响应于节气门的位置，这种布置有助于减轻涡轮滞后。不过，两个涡轮增压器比具有等效增压能力的单涡轮增压器使用更多的底盘空间，并给车辆增加更多的重量。进一步地，控制两个涡轮增压器很困难，并且在所有工况中难以保持一致，从而对加速产生难以预期的发动机响应，并降低了驾驶舒适性。

在其他实施例中，双蜗壳涡轮增压器可以将排气从其冲程与排气排出相互干扰的汽缸分离。来自干扰汽缸的排气可以被联接到分开的排气路径，其中所述排气路径中的每个具有布置在涡轮上的喷嘴。第一排气入口和喷嘴可以具有通道，其具有比第二排气入口和喷嘴更受限制的横截面面积。通过限制流动横截面，可以增加流动速度，用于减轻涡轮滞后。第二入口和喷嘴可以经配置获得最佳性能。

可变几何形状的涡轮增压器可以限制涡轮上游的排气路径的通道，若干障碍物被致动，以便在给定的工况下，实现涡轮的期望的流动速度。障碍物可以由致动器响应于发动机的负荷、转速或PP致动，以便实现流横截面，所述致动器通信联接于控制系统80。

虽然这些系统中的每个有助于减轻涡轮滞后，但是他们无法完全消除。进一步地，每个所需要的附加控制方法降低了驾驶性能。附加的机械零件可能会退化，给车辆添加附加的重量，以及消耗有限的发动机罩下的空间。

因此，发动机系统10可以包括用于涡轮增压系统的氢输送装置。来自充气、排气或两者的燃料可以被输送到用于氢生成的重整器设备50。重整器设备可以经由涡轮34上游的导管52联接到排气歧管24。氢可以在系统内的内部温度在氢的自动点火温度处或高于自动点火温度的点处被注入到排气系统中，使得在氢进入排气系统后可以燃烧。

流入排气系统的氢可以由图2所示的氢阀54计量。阀54可以在重整器设备50上游或下游的氢输送装置内。排气在涡轮上游的排气系统部分可以具有相对富集的氧，这有助于点火和氢燃烧的动力。重整器设备50还可以生成氧，并且生成氧的至少一部分还可以由导管56输送到排气歧管24。

在某些实施例中，重整器设备可以是蒸汽重整器，其通过吸热转化，允许充气或排气内的燃料与催化剂相互作用。在高温时，这种相互作用可以形成氢气以及其他副产品，例如一氧化碳和/或氧气。接着，氢气和燃料重整的附加副产品可以被输送到涡轮34上游的排气系统。在这个位置的排气温度通常在氢的自动点火温度之上。

重整器设备可以由提供的电能提供动力，例如，由曲轴，电动机，或车辆减速存储的摩擦能量转换的电能。发动机系统可以在混合动力汽车内提供，以及氢输送装置可以由车辆减速期间产生的电能提供动力。

作为氢燃烧的结果，涡轮上游的排气可以快速扩散/膨胀，可以在排气系统内产生增加的压力。因此，排气可以以增加的速度和动能穿过涡轮34。这种增加的速度和能量增加了涡轮工作的速度，相应地降低了涡轮滞后。

在增压条件期间，从涡轮输送到压缩机的动力是按比例地增加。因此，在某些实施例中，氢输送可以在增压期间启动。氢输送可以由重整器设备上游的氢输送装置内和燃料入口下游的阀54计量，并且可以由控制系统致动。

因此，输送的氢气可以燃烧和膨胀。这可以在促使涡轮速度增加的气体穿过涡轮34的时候发生。因此，压缩机被驱动变得更快，促使被输送到发动机的空气增加，降低了涡轮滞后。

发动机系统10可以包括也控制氢输送的控制系统。控制系统可以包括用于选择性允许氢被输送到排气歧管24的控制阀54。控制系统可以将氢输送到排气歧管24，作为对加速器设备工作的响应。因此，在加速时，氢可以被用于将更多空气引入到发动机中。加速可以经由加速器踏板传感器与控制系统通信。

发动机系统可以包括适于测量涡轮增压器的速度并且通信联接到氢输送装置的传感器。任何合适的传感器可以被用于确定涡轮增压器的速度，包括在涡轮上游或压缩机下游的MAF传感器。氢输送装置可以根据涡轮增压器的速度，向排气系统输送氢或增加氢的输送。重整器设备可以向氧输送装置提供氧。

在其他实施例中，控制系统可以具有指令，以当涡轮增压器速度低，从而发动机转速在空转速度或接近空转速度时，输送氢到排气歧管24。

氢的输送还可以由导管52内的重整器设备下游的阀计量。在其他实施例中，氢的输送可以通过计量向用于氢生成的重整器设备提供的动力来计量。重整器设备可以响应于某些发动机事件经由控制系统被联接到动力源和从动力源脱离。

氢的生成还可以通过计量输送到重整器设备的蒸汽来计量。可以通过将流体(例如，冷却剂或风挡玻璃清洗液)暴露在例如发动机加热交换设备、散热片或发动机自身的加热器来通过加热该流体提供蒸汽。蒸汽可以经由被控制系统致动的阀门联接到重整器设备或从所述重整器设备脱离。

发动机系统10可以在混合动力汽车内提供，以及重整器设备50可以由车辆减速期间生成的电能提供动力。因此，在没有对发动机添加附加负荷的情况下，可以增加压缩机的速度。

在某些实施例中，氢输送装置可以在第一位置向排气系统输送氢，其中所述第一位置的排气具有相对富集的氧，这有助于氢的燃烧。氢输送装置可以在排气的温度在氢的点火温度或高于点火温度的位置向排气系统输送氢。备选地或附加地，发动机系统可以包括氢加热设施，可以包括在将氢输送到排气系统之前，给氢加热。

氢可以预加热以燃烧，并且在氢输送系统内燃烧。其可以由控制系统致动的阀控制在高压中，并在由控制系统确定的条件期间释放。供选择地，其可以被预加热到低于自动点火的温度，以便在进入排气系统后，自动点火更容易实现。氢的预加热可以响应于发动机或排气系统的条件，以便当排气系统内的温度低于阈值时，可以启动预加热。类似地，如果排气系统内温度在阈值之上，可以终止预加热。预加热还可以被用作控制氢燃烧的机制，其中预加热响应于由控制系统控制的氢的输送和燃烧启动而发生。这可以，附加地或备选地，经由氢输送系统内的阀或另一个前述的氢输送计量方法实现计量氢的输送。

在备选实施例中，氢输送系统可以被联接于EGR管入口的上游，并且氢的输送可以响应于EGR系统的需求。EGR上游的氢气的燃烧可以增加系统内的压力，并且增加EGR到进气系统的流量。接着，氢的输送可以被计量，作为对发动机负荷需求、主要排放物或排气中燃料含量的响应。氢输送系统可以被用于配合高压或低压EGR系统。

在氢的输送系统的操作方法中，发动机系统可以包括加速器设备，其可操作增加被输送到发动机供燃烧的燃料量。该方法可以包括启动或增加向排气的氢的输送，作为对加速器设备操作的相应。如图3所示，在302，加速器踏板的位置可以由加速器踏板位置传感器确定。在304，如果踏板被致动到可与涡轮增压器激活点相对应的阈值，可以增加氢到排气系统的输送。在306，如果加速器未致动到阈值，可以确定加速器踏板是否被致动到低于可对应于涡轮增压器去激活的最小阈值。在308，如果其低于这个阈值，可以减少输送到排气系统的氢的量。

在图4中示出的备选方法可以包括测量涡轮增压器的速度，并根据涡轮增压器的速度，输送氢到排气系统或增加输送到排气系统的氢。涡轮增压器的速度可以由进气和排气系统内的传感器确定，可包括MAF传感器。在402，可以确定涡轮增压器的速度。在404，如果涡轮增压器的速度在阈值之上，可以增加输送到排气系统的氢。在406，如果涡轮增压器的速度低于阈值，那么在408，可以减少输送到排气系统的氢的量。

在其他实施例中，氢的输送可以被激活，作为对涡轮增压器和/或发动机工作在低于接近空转的速度、驱动或负荷阈值的响应。因此，在涡轮滞后高的状况下，可以启动氢的输送。

应当指出，本文包括的示例控制和估算例程可以用于各种发动机和/或车辆系统配置。进一步地，这种技术可以应用于任何类型的动力系统，动力系统包括但不限于，与纯电动、混合动力电动、插电式混合电动、燃料电池电动以及柴油发电机供电的车辆关联的动力系统。本文描述的具体例程可以表示若干处理策略中的一个或更多，例如事件驱动、中断驱动、多重任务、多线程及其类似处理策略。因此，示出的各个动作，操作或功能可以以示出的顺序执行、并行执行或在某些情况中可以省略。同样地，处理次序不一定必须实现本文描述的示例实施例的特征和优势，其是为了便于说明和描述，提供在本文中。根据所采用的特定策略，一个或更多示出的动作或功能可以被重复执行。进一步地，描述的动作可以图形化表示被程序化到发动机控制系统中计算机可读存储介质中的代码。

应当明白，本文公开的配置和例程本质上是示范性的，这些具体的实施例不应被视为对本发明的限制，这是因为很多变化是可能的。例如，上述技术可以被应用到V-6、I-4、I-6、V-12、对置4以及其他的发动机类型。本公开的主题包括本文公开的各个系统和配置以及其他特征、功能和/或属性的所有新颖且非显而易见的组合以及子组合。

本公开的附属权利要求特别指出被视为新颖且非显而易见的特定组合和子组合。这些权利要求可以涉及“一”元件或“第一”元件或其等价物。应当理解，这样的权利要求包括一个或更多这样元件的组合，不必需或排除两个或更多这样的元件。本文公开的特征、功能、元件和/或属性的其他组合以及子组合可以通过本公开的权利要求的修正或通过在本申请或相关申请提出新的权利要求来要求保护。

这样的权利要求，无论其对于初始权利要求的范围更广、更窄、等同或不同，都应当被视为包括在本公开的主题内。

Claims (17)

1.一种发动机系统，其包括：

排气系统；

包括压缩机的涡轮增压器，所述压缩机由所述排气系统内的涡轮提供动力；

EGR系统；以及

氢输送装置，其具有联接到发动机汽缸的入口和联接到EGR管入口的上游的所述排气系统的出口，其中响应于所述EGR系统的需求输送氢，并且所述发动机系统适于向混合动力车辆供应动力，以及所述氢输送装置接收在所述车辆的减速期间生成的电能。

2.根据权利要求1所述的发动机系统，其中所述氢输送装置在所述涡轮上游被联接到所述排气系统。

3.根据权利要求1所述的发动机系统，其中所述氢输送装置在第一位置被联接到所述排气系统，所述第一位置中的所述排气相对于所述排气系统内的其他位置具有相对富集的氧。

4.根据权利要求3所述的发动机系统，其中所述氢输送装置包括在所述第一位置处或靠近所述第一位置被联接到所述排气系统的氧输送装置。

5.根据权利要求1所述的发动机系统，其中所述氢输送装置在所述排气的温度处于或高于氢的自动点火温度的位置处被联接到所述排气系统。

6.根据权利要求1所述的发动机系统，其包括氢加热设备，其中响应于所述排气系统内的温度低于阈值，在输送所述氢到所述排气系统之前加热所述氢。

7.根据权利要求1所述的发动机系统，其中所述排气系统包括排气歧管，并且其中所述氢输送系统被联接到排气歧管。

8.根据权利要求1所述的发动机系统，其包括可运行以增加输送到所述发动机供燃烧的燃料量的加速器设备，并且其中所述氢输送装置由控制系统控制，所述控制系统具有响应于所述加速器设备的运行而输送氢到所述排气系统或增加输送到所述排气系统的氢的指令。

9.根据权利要求1所述的发动机系统，其包括适于测量所述涡轮增压器的速度并通信联接到所述氢输送装置的传感器，其中所述氢输送装置由控制系统控制，所述控制系统具有响应于所述涡轮增压器的运行速度而开始或增加到所述排气系统的氢的输送的指令。

10.根据权利要求1所述的发动机系统，其中所述氢输送装置包括重整器设备。

11.一种操作具有排气系统的发动机系统的方法，其包括：

利用包括压缩机和涡轮的涡轮增压器对发动机进行涡轮增压；

在压缩机内压缩空气，将空气引向所述发动机，以及

用所述涡轮给所述压缩机供应动力；

使用被排出的排气驱动所述涡轮；

输送氢到所述涡轮上游的所述排气，其中响应于所述排气系统内的温度低于阈值，在输送氢到所述排气之前加热所述氢；

通过燃烧氢增加所述涡轮旋转的速度；

使用重整器设备生成氢；以及

使用车辆的减速期间生成的电能，向所述重整器设备供应动力。

12.根据权利要求11所述的方法，其包括在排气中的氧相对富集的第一位置将氢输送到所述排气系统。

13.根据权利要求12所述的方法，其包括在所述第一位置处或所述第一位置附近将氧输送到所述排气系统。

14.根据权利要求11所述的方法，其包括在所述排气处于或高于氢的自动点火温度的位置向所述排气系统输送氢。

15.根据权利要求11所述的方法，其包括当所述排气系统温度高于所述阈值时，终止将所述氢输送到所述排气系统。

16.根据权利要求11所述的方法，其包括响应于加速器设备的致动增加被输送到所述发动机供燃烧的燃料量，并且响应于所述加速器设备的致动开始将氢输送到所述排气系统或增加输送到所述排气系统的氢。

17.根据权利要求11所述的方法，其包括测量所述涡轮增压器的运行速度，并且响应于所述涡轮增压器的所述运行速度开始将氢输送到所述排气系统或增加到所述排气系统的氢输送量。