CN105317591B - 用于内燃机系统的氢燃料辅助装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于内燃机系统的氢燃料辅助装置，包含：一个用于产生氢气的氢气产生器；一个通过一个空气节流阀以不同的流速将氢气送进一个内燃机的燃烧室的流体泵浦，该空气节流阀连接于该燃烧室；及一个仅根据连接于该燃烧室的一个燃料节流阀的开度以用于控制该流体泵浦的转速的泵浦控制器，以便在该内燃机操作的期间调节供给到该燃烧室的氢气的流速。

Description

用于内燃机系统的氢燃料辅助装置
技术领域
本发明涉及一种用于内燃机系统的氢燃料辅助装置，特别是涉及一种用于提升内燃机效能的氢燃料辅助装置。
背景技术
因为氢具有非常快的燃烧速度，所以氢可有效作为一种加入至例如汽油或柴油燃料的一个主燃料以用于内燃机的辅助燃料。举例来说，当氢与车辆发动机的一个主燃料的空气燃料混合物混合时，可借由增加里程数及提高相对于该主燃料的燃料经济来提升该内燃机的性能。另外，氢也可增加该内燃机的马力输出。更进一步地，因为氢焰具有一个非常短的熄火距离大约0.64mm，所以氢可减少来自该发动机，例如碳氢化合物(HC)及一氧化碳(CO)的不良排放量。
但若作为辅助燃料的氢是以固定量的方式供应该内燃机，将会导致内燃机于不同工作状况时无法按照原设计的动力输出方式输出，例如应用于车辆发动机时，会导致车辆操作上的缺点，包含：车辆起动时容易暴冲；刹车(制动)时所需距离延长；甚至车辆在高负荷的情况反而出现不完全燃烧，油耗及排放增加，输出动力衰减等现象。因此，上述的技术还仍然有待改进。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种用于内燃机系统的氢燃料辅助装置，能克服上述现有技术的缺点。
关于本发明，提供了一种用于内燃机系统的氢燃料辅助装置。该内燃机系统包含一个具有一个燃烧室的内燃机，及分别连接于该燃烧室的一个燃料节流阀与一个空气节流阀。本发明氢燃料辅助装置包含：
一个氢气产生器，用于产生氢气并具有一个气体出口；
一个流体泵浦，连接于该气体出口及该空气节流阀之间，该流体泵浦通过该空气节流阀以不同的流速将该氢气产生器产生的氢气直接送进该燃烧室；及
一个泵浦控制器，电连接于该流体泵浦，该泵浦控制器仅根据该燃料节流阀的开度以控制该流体泵浦的一转速，以便在该内燃机操作的期间调节供给到该燃烧室的氢气的流速。
本发明的用于内燃机系统的氢燃料辅助装置，该氢气燃料辅助装置还包含一个耦接于该泵浦控制器的节流阀开度传感器，该节流阀开度传感器用于感测该燃料节流阀的开度，以产生一个指示该燃料节流阀的开度的感测输出，该泵浦控制器基于该节流阀开度传感器的该感测输出来控制该流体泵浦的转速。
本发明的用于内燃机系统的氢燃料辅助装置，该泵浦控制器控制该流体泵浦的转速介于一最大转速及一低于该最大转速的最小转速之间，在该最大转速时，来自该氢气产生器的该氢气是以一相关于该内燃机的汽缸容积的最大流速供应至该燃烧室。
本发明的用于内燃机系统的氢燃料辅助装置，当该燃料节流阀的开度为零时，该泵浦控制器控制该流体泵浦的转速成为一介于该最大转速与该最小转速之间的初始转速；
当该燃料节流阀的开度由零增加至一开度阈值时，该泵浦控制器控制该流体泵浦的转速由该初始转速增加至该最大转速；及
当该燃料节流阀的开度由该开度阈值增加至100％时，该泵浦控制器控制该流体泵浦的转速由该最大转速减低至该最小转速。
本发明的用于内燃机系统的氢燃料辅助装置，该初始转速是该最大转速的60％时，该最小转速是该最大转速的10％，且该开度阈值是40％。
本发明的用于内燃机系统的氢燃料辅助装置，该燃料节流阀的开度及该流体泵浦的转速对于该最大转速的百分比之间的关系是由该泵浦控制器根据以下的方程式来定义
当0≤x≤5％,f(x)＝60％+4x；
当5％<x≤15％,f(x)＝80％+(x-5％)；
当15％<x≤40％,
当40％<x≤70％,f(x)＝100％-(x-40％)；及
当70％<x≤100％,f(x)＝70％-2(x-70％)；
其中，x是该燃料节流阀的开度，f(x)是该流体泵浦的转速对于该最大转速的百分比。
本发明的用于内燃机系统的氢燃料辅助装置，该氢气产生器通过一水反应金属材料与一水溶液的反应来产生该氢气。
本发明的用于内燃机系统的氢燃料辅助装置，该水反应金属材料是镁、铝及其合金的其中一者，且该水溶液含有水、醇及酸。
本发明的有益效果在于：通过该泵浦控制器控制该流体泵浦的转速，以便在该内燃机操作的期间调节供给到该燃烧室的氢气的流速。
附图说明
其他的特征和本发明的优点将于下述实施例的详细说明中参照图式清楚地呈现：
图1是一局部示意图，说明本发明用于内燃机系统的氢燃料辅助装置的一实施例，未示出一个节流阀开度传感器及一个泵浦控制器；
图2是一方块图，说明该实施例的所述组件；及
图3是一曲线图，说明一示范实施例中该燃料节流阀的开度与该流体泵浦的转速之间的关系。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
参阅图1与图2，本发明氢燃料辅助装置100的一实施例适于与一个内燃机系统200一起使用。该内燃机系统200包含：一个内燃机20、一个空气节流阀40及一个燃料节流阀50。该内燃机20为例如一个车辆发动机、一个船舶发动机等，并包括一个燃烧室21、一个连通该燃烧室21与一个空气过滤器30的进气通道22，及一个连接于该燃烧室21的排气通道23。该空气节流阀40是设置于该进气通道22内。该燃料节流阀50连接于该燃烧室21以调节供给至该燃烧室21的主燃料的量。在本实施例中，该主燃料可以是汽油燃料或柴油燃料。
该氢气燃料辅助装置100包含一个氢气产生器11、一个流体泵浦12、一个节流阀开度传感器13及一个泵浦控制器14。
该氢气产生器11是操作来以一水反应金属材料与一水溶液的反应来产生氢气，并具有一个气体出口。该氢气作为用于该内燃机系统200的辅助燃料。在本实施例中，该水反应金属材料可以是镁、铝及其合金的其中一者。该水溶液可含有水、醇及酸，醇如甲醇和乙醇，酸如盐酸。较佳地，该水溶液由20～60wt％的醇、3～9wt％的酸及充足的水所构成。举一例子来说，该水反应金属材料是镁的多孔体，且该水溶液含有51wt％的水、40wt％的甲醇，及9wt％的盐酸。
该流体泵浦12是要连接于该气体出口与该空气节流阀40之间。在本实施例中，如图1所示，该流体泵浦12是直接连接于该气体出口以接收该氢气产生器11所产生的氢气，并具有一个出口121，该出口121通过一个连接管15及一个靠近于该空气节流阀40的管接头221来连通该进气通道22。该流体泵浦12能够通过该出口121、该连接管15、该管接头221、该空气节流阀40及该进气通道22以不同的流速将该氢气产生器11产生的氢气送进该燃烧室21。
该节流阀开度传感器13用于感测该燃料节流阀50的开度以产生一指示该燃料节流阀50的开度的感测输出。应注意的是，当该氢燃料辅助装置100是与一个车辆发动机一起使用时，该节流阀开度传感器13可并入到一个车辆测试系统，例如一个车载诊断系统(英文：on-board diagnostic(OBD)system)。由于本发明的特征不在于该节流阀开度传感器13的结构，且这是本领域技术人员所熟知的技术，为了简洁说明，在此省略该节流阀开度传感器13的细节。
该泵浦控制器14是电连接于该流体泵浦12及该节流阀开度传感器13，且从该节流阀开度传感器13接收该感测输出。该泵浦控制器14是仅根据该燃料节流阀50的开度以操作来控制该流体泵浦12的一转速，以便在该内燃机20操作的期间调节供给到该燃烧室21的氢气的流速。在本实施例中，该泵浦控制器14基于该感测输出产生一个泵浦控制信号，并输出该泵浦控制信号至该流体泵浦12，以便控制该流体泵浦12的转速介于一最大转速及一低于该最大转速的最小转速之间，在该最大转速时，来自该氢气产生器11的该氢气是以一相关于该内燃机20的汽缸容积的最大流速供应至该燃烧室21。举一例子来说，对于一个50cc的发动机，该流体泵浦12操作在该最大转速所提供的氢气的最大流速大约是5000cc/min。
较佳地，当该燃料节流阀50的开度为零时，该泵浦控制器14的泵浦控制信号控制该流体泵浦12的转速是介于该最大转速与该最小转速之间的一初始转速。当该燃料节流阀50的开度由零增加至一开度阈值时，该泵浦控制器14的泵浦控制信号控制该流体泵浦12的转速由该初始转速增加至该最大转速。当该燃料节流阀50的开度由该开度阈值增加至100％时，该泵浦控制器14的泵浦控制信号控制该流体泵浦12的转速由该最大转速减低至该最小转速。举例来说，该初始转速可为该最大转速的60％时，该最小转速可为该最大转速的10％，且该开度阈值可为40％。
在一实施例中，参阅图3，于该内燃机20操作的期间内，该泵浦控制器14所控制的该流体泵浦12是操作在第一状态至第五状态之间，其分别以A、B、C、D及E来表示。当该燃料节流阀50的开度(x)不小于0且不大于5％时，即0≤x≤5％，该流体泵浦12是在该第一状态(A)，其中该燃料节流阀50的开度(x)与该流体泵浦12的转速(S)对于该最大转速(Smax)的百分比之间的关系能以下列方程式(1)来获得：
f(x)＝60％+4x (1)。
在此，f(x)表示的百分比。当5％<x≤15％时，该流体泵浦12是在该第二状态(B)，其中的百分比能以下列方程式(2)来表示：
f(x)＝80％+(x-5％) (2)。
当15％<x≤40％时，该流体泵浦12是在该第三状态(C)，其中的百分比能以下列方程式(3)来表示：
当40％<x≤70％时，该流体泵浦12是在该第四状态(D)，其中的百分比能以下列方程式(4)来表示：
f(x)＝100％-(x-40％) (4)。
当70％<x≤100％时，该流体泵浦12是在该第五状态(D)，其中的百分比可以由下列方程式(5)来表示：
f(x)＝70％-2(x-70％) (5)。
根据上述示范实施例，可达到的实验结果如下：该内燃机20的燃料消耗可在相同马力输出的情况下节省约3％～30％；该内燃机20的马力输出可在相同燃料消耗的情况下增加约10％～20％；且使用在内燃机20的润滑油的使用寿命可被延长，以减少从该内燃机20所排放不良排放物的量。
综上所述，由于该泵浦控制器14因应该燃料节流阀50的开度，以控制该氢气流入该燃烧室21的流量，使得本发明氢燃料辅助装置100可有效地提升该内燃机20的效能，并减少不良排放量。应注意的是，当该燃料节流阀50的开度大于40％时，供应至该内燃机20的氢气的流量相较于当该开度小于40％时减少，从而在相对较高马力输出的内燃机20的操作下保证安全。
除此之外，本发明氢燃料辅助装置100应用于一个车辆发动机的情况下，有关该燃料节流阀50的开度的信息可由该车载诊断系统获取，以至于该节流阀开度传感器13能被省略。
故当本发明氢燃料辅助装置100应用于车辆发动机时，可依据不同工作状况，因应该燃料节流阀50的开度来控制氢气量的供应，使得在车辆起动时，由于供应相对较少的氢气量，避免了现有技术所遭遇之因为扭力过大所导致暴冲的问题。而在车辆刹车(制动)时，由于该燃料节流阀50的开度瞬间变得很小且远小于该开度阈值，依据本发明所公开的供氢方式，减少了氢气量之供应，如此可避免现有技术所遭遇之因固定量之氢气供应所产生过大的扭力而导致刹车(制动)距离延长的问题，进而降低车辆追撞(追尾)风险。此外，当车辆在高负荷的情况下，该燃料节流阀50的开度变大且大于该开度阈值，依据本发明所公开的供氢方式，适当的减少氢气量的供应，如此不因所添加的氢气而消耗过多氧气，避免反向影响燃料的燃烧，促使燃烧更完全,因而减少油耗和尾气的排放,同时增加扭力的输出。
整体而言，由于氢气供应量依据上述本发明提供的方式，于内燃机不同负荷状况合理供给，使得燃料获得最大程度的完全燃烧；进而使得动力输出合理而充沛、起动流畅平顺、刹车(制动)距离恰当，使得在节能减排的前提下，内燃机性能充分发挥。
另外，由于本发明氢燃料辅助装置100具有相对简单的结构，其可容易地安装于现有的内燃机系统，而不须改变他们的原始设计，从而提供高实用性。
惟以上所述者，仅为本发明的实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即大凡依本发明权利要求书及专利说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (9)

1.一种用于内燃机系统的氢燃料辅助装置，该内燃机系统包含一个具有一个燃烧室的内燃机，及分别连接于该燃烧室的一个燃料节流阀与一个空气节流阀；其特征在于：该氢燃料辅助装置包含
一个氢气产生器，用于产生氢气并具有一个气体出口；
一个流体泵浦，连接于该气体出口及该空气节流阀之间，该流体泵浦通过该空气节流阀以不同的流速将该氢气产生器产生的氢气直接送进该燃烧室；及
一个泵浦控制器，电连接于该流体泵浦，该泵浦控制器仅根据该燃料节流阀的开度控制该流体泵浦的一转速，以便在该内燃机操作的期间调节供给到该燃烧室的氢气的流速。
2.如权利要求1所述的氢燃料辅助装置，其特征在于：该氢燃料辅助装置还包含一个耦接于该泵浦控制器的节流阀开度传感器，该节流阀开度传感器用于感测该燃料节流阀的开度，以产生一个指示该燃料节流阀的开度的感测输出，该泵浦控制器基于该节流阀开度传感器的该感测输出来控制该流体泵浦的转速。
3.如权利要求2所述的氢燃料辅助装置，其特征在于：该泵浦控制器控制该流体泵浦的转速介于一最大转速及一低于该最大转速的最小转速之间，在该最大转速时，来自该氢气产生器的该氢气是以一相关于该内燃机的汽缸容积的最大流速供应至该燃烧室。
4.如权利要求3所述的氢燃料辅助装置，其特征在于：
当该燃料节流阀的开度为零时，该泵浦控制器控制该流体泵浦的转速成为一介于该最大转速与该最小转速之间的初始转速；
当该燃料节流阀的开度由零增加至一开度阈值时，该泵浦控制器控制该流体泵浦的转速由该初始转速增加至该最大转速；及
当该燃料节流阀的开度由该开度阈值增加至100％时，该泵浦控制器控制该流体泵浦的转速由该最大转速减低至该最小转速。
5.如权利要求4所述的氢燃料辅助装置，其特征在于：该初始转速是该最大转速的60％时，该最小转速是该最大转速的10％，且该开度阈值是40％。
6.如权利要求5所述的氢燃料辅助装置，其特征在于：该燃料节流阀的开度及该流体泵浦的转速对于该最大转速的百分比之间的关系是由该泵浦控制器根据以下的方程式来定义
当0≤x≤5％,f(x)＝60％+4x；
当5％<x≤15％,f(x)＝80％+(x-5％)；
当15％<x≤40％,
当40％<x≤70％,f(x)＝100％-(x-40％)；及
当70％<x≤100％,f(x)＝70％-2(x-70％)；
其中，x是该燃料节流阀的开度，f(x)是该流体泵浦的转速对于该最大转速的百分比。
7.如权利要求1所述的氢燃料辅助装置，其特征在于：该氢气产生器通过一水反应金属材料与一水溶液的反应来产生该氢气。
8.如权利要求7所述的氢燃料辅助装置，其特征在于：该水反应金属材料是镁、铝及其合金的其中一者，且该水溶液含有水、醇及酸。
9.如权利要求1所述的氢燃料辅助装置，其特征在于：当该燃料节流阀的开度大于40％时，供应至该内燃机的氢气的流量相较于当该开度小于40％时减少。
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