專利名稱：使用氫的雙燃料發(fā)動機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開了操作以氫燃料和另一種燃料兩者供應(yīng)的內(nèi)燃發(fā)動機的方法。
背景技術(shù)：
因為關(guān)注于從含碳燃料如汽油、柴油、及醇類燃料放出的溫室氣體，對于以在燃 燒時產(chǎn)生水的氫作為燃料供應(yīng)的機動車輛產(chǎn)生了濃厚的興趣。由于氫是在汽缸中占據(jù) 很大體積的氣態(tài)燃料，特別是相比較于像汽油或柴油燃料這樣的稠密燃料，因此相比 較于汽油或柴油動力發(fā)動機，氫燃料內(nèi)燃發(fā)動機經(jīng)受較低的動力輸出。此外，由于燃 燒粗劣(combustion harshness )增加，氫燃燒限于在約0. 5或更少的當量比下操作， 若這存在問題，會快速增加N0x排放。當量比為1時為化學(xué)計量比，意味著燃料對空 氣的比例為所有的氧氣和燃料可以完全燃燒的情況。當量比為0. 5時為稀當量比，其 中供應(yīng)的空氣的量是完全消耗燃料所需要的空氣的兩倍。這種當量比上的限制導(dǎo)致大 約一半燃料輸送可以被燃燒室中的空氣量消耗，從而發(fā)動機產(chǎn)生的扭矩為在化學(xué)計量 比時的一半。
當量比定義為混合物的燃料空氣比(質(zhì)量)除以化學(xué)計量比的混合物的燃料空氣 比?；瘜W(xué)計量比混合物的當量比為1. 0,稀混合物當量比小于1.0,濃混合物當量比 大于l.O。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的發(fā)明人認識到通過操作兩種燃料氫和汽油，在一個示例中，發(fā)動機可 以在低扭矩水平下操作氫，在高扭矩水平下搡作汽油。氫在稀當量比下容易燃燒，且 較適合于在低扭矩下燃燒充分(burning robustly),至多具有最小的節(jié)流。因為汽 油的高能量密度和在化學(xué)計量比下搡作的能力，汽油較適合于提供高扭矩。本發(fā)明的 發(fā)明人提出在操作氫和操作另一種燃料之間進行切換的雙燃料發(fā)動機。
高扭矩燃料可以是碳氫化合物，如天然氣、丙烷、汽油，或醇類，如甲醇、乙醇。 此外，還可以使用氣態(tài)燃料的組合或液態(tài)燃料的組合，如85%的乙醇和15%的汽油的 混合物的E85。高扭矩燃料含碳，在燃燒時反應(yīng)生成溫室氣體二氧化碳。因為氫燃燒 產(chǎn)生的燃燒產(chǎn)物只有水，不會生成溫室氣體。因此，希望在有可能時操作氫，在需要 提供期望的扭矩時使用含碳燃料。
本領(lǐng)域技術(shù)人員通常使用的標準化的發(fā)動機扭矩為BMEP,即制動平均有效壓力， 對于4行程發(fā)動機為2*P/(V*N),其中P為制動力，V為移動體積，N為發(fā)動機轉(zhuǎn)速
rpm。
本發(fā)明公開一種從第一操作模式到第二操作模式進行切換的方法，其中在切換開 始時減少空氣供應(yīng)，減少第一燃料的供應(yīng)，并啟動第二燃料的供應(yīng)。第一燃料基本上
為100%的氫，第二燃料例如主要包括碳氫化合物、汽油或汽油與醇類的混合物?；?br> 者，第二燃料為氣態(tài)碳氫化合物。在切換期間，不斷減少氫的量以便在切換結(jié)東時， 不再供應(yīng)氫到發(fā)動機。同時，協(xié)同氫的減少在切換期間增加第二燃料的量。當扭矩需
求促使氫燃料當量比超過閾值時啟動切換，該閾值約為0.5。通過關(guān)閉發(fā)動機的節(jié)氣 門實現(xiàn)空氣供應(yīng)減少，在切換期間空氣供應(yīng)減少在30%-60%的范圍之內(nèi)。在一個實施 例中，響應(yīng)于發(fā)動機活塞速度超過閾值進一步啟動切換。發(fā)動機活塞速度計算為 2*S*N,其中S為行程，N為發(fā)動機轉(zhuǎn)速rpm?；钊俣仍谡麄€旋轉(zhuǎn)中不是恒定的；活 塞速度在此計算為平均活塞速度。
本發(fā)明還公開一種在內(nèi)燃發(fā)動機中在兩個操作模式之間進行切換的方法，其中充 分增加空氣供應(yīng)，啟動氫的供應(yīng)，減少第二燃料的供應(yīng)，所有這些基本上發(fā)生在切換 的啟動時。響應(yīng)于扭矩下降小于閾值BMEP的需求啟動切換其中閾值BMEP對于自然 進氣發(fā)動機在3. 5巴至5巴之間，對于增壓發(fā)動機在6巴至8巴之間。在切換期間， 空氣供應(yīng)在30%-60%范圍之內(nèi)增加。在切換啟動時到發(fā)動機的氫的供應(yīng)促使只有氫燃 料的當量比至少為0. 1。
通過閱讀本發(fā)明的優(yōu)選實施例的示例、參考本文的詳細說明、參考附圖將更完全 地理解本文描述的優(yōu)點。


圖l是具有兩種燃料供應(yīng)的發(fā)動機的示意圖2a-2b示出顯示兩種燃料的搡作區(qū)域的BMEP和活塞速度的發(fā)動機操作圖3示出顯示兩種燃料的操作區(qū)域的BMEP和催化劑溫度的發(fā)動機操作圖；及
圖4和圖5示出從氫到汽油的切換的時間線。
具體實施例方式
圖1中通過示例示出四汽缸內(nèi)燃發(fā)動機10。內(nèi)燃發(fā)動機IO通過進氣歧管12供 應(yīng)空氣，通過排氣歧管14排出廢氣。進氣歧管12的上游的進氣導(dǎo)管包含節(jié)氣門32, 節(jié)氣門32在觸發(fā)時控制到內(nèi)燃發(fā)動機10的空氣流量。安裝在進氣歧管l2中的傳感 器34和36分別測量空氣溫度和質(zhì)量空氣流量(MAF)。位于節(jié)氣門32的下游的進氣 歧管12中的傳感器31是歧管絕對壓力(MAP)傳感器。部分地關(guān)閉節(jié)氣門32促使進 氣歧管12中的壓力相比較于節(jié)氣門32的上游一側(cè)上的壓力下降。當在進氣歧管l2 中存在壓力下降時，促使排氣流過將排氣歧管14連接到進氣歧管12的排氣再循環(huán) (EGR)導(dǎo)管19。 EGR閥18位于EGR導(dǎo)管19之中，觸發(fā)EGR閥18以控制EGR流量。
氫燃料通過燃料噴射器30直接噴射到汽缸16中和通過進氣道噴射器26噴射液態(tài)燃 料到進氣歧管12中以供應(yīng)到內(nèi)燃發(fā)動機IO。該裝置如圖所示僅用于示例，并不意圖 限制。在其他實施例中包括供應(yīng)氫燃料的進氣道噴射器26和供應(yīng)液態(tài)燃料的直接噴 射器30?；蛘?，兩種燃料都通過直接燃料噴射器供應(yīng)。在又一個實施例中兩種燃料 都通過進氣道噴射器供應(yīng)。在另一個實施例中，氣之外的燃料是如甲烷的氣態(tài)碳氫化 合物燃料。內(nèi)燃發(fā)動機10的每個汽缸16包含火花塞28。內(nèi)燃發(fā)動機10的曲軸(未 示出)連接到齒輪20。接近于齒輪20設(shè)置的傳感器22檢測內(nèi)燃發(fā)動機10的旋轉(zhuǎn)。 替代地可以使用檢測曲軸位置的其他方法。
在一個實施例中，內(nèi)燃發(fā)動機通過發(fā)動機進氣中的壓縮機58增壓。通過增加供 應(yīng)到內(nèi)燃發(fā)動機10的空氣的密度，在相同的當量比下可以供應(yīng)更多的燃料。通過這 樣做，內(nèi)燃發(fā)動機10可以產(chǎn)生更多的動力。壓縮機58可以是典型地從動于內(nèi)燃發(fā)動 機的增壓器?；蛘撸瑝嚎s機58經(jīng)軸與設(shè)置在內(nèi)燃發(fā)動機排氣中的渦輪56連接。渦輪 56如圖l所示為可變幾何渦輪；但在替代的實施例中可以是非可變裝置。在另一個 實施例中，發(fā)動機自然進氣，在該實施例中元件56和元件58可以略去。渦輪56的 下游為三元催化劑66。三元催化劑66替代地可以設(shè)置在渦輪56的上游以快速起燃。 或者，三元催化劑66是具有在稀當量比下還原NOx的能力的稀NOx捕集器或稀NOx 催化劑。
兩個燃料箱60和64供應(yīng)兩種燃料。在如圖l所示的實施例中，燃料箱60包含 液態(tài)燃料，燃料箱64包含氫。然而，如上所述，本發(fā)明的發(fā)明人構(gòu)思多種可能的燃 料組合，包括在合適的燃料存儲容器中。在燃料箱中燃料泵62使液態(tài)燃料加壓。燃 料箱64處于高壓下。通常不要求加壓，但可以使用壓力調(diào)節(jié)器。
電子控制單元40如圖所示包括微處理器單元(CPU) 46,輸入/輸出端口 44和內(nèi) 存管理單元(MMU) 48。 MMU 48與CPU 46和包括只讀存儲芯片(ROM) 50、?；畲鎯?器(KAM) 52、隨機存取存儲器(RAM) 54、及連接上述各種部件的數(shù)據(jù)總線的電子存 儲媒介通信。電子控制單元40可以接收來自連接到發(fā)動機IO和燃料供給系統(tǒng)的傳感 器的各種信號。除上述信號外，電子控制單元40還接收來自發(fā)動機和燃料供給系統(tǒng) 搡作的其他信號42。電子控制單元40配置為使用存儲的指令處理這些輸入并響應(yīng)地 發(fā)送信號或指令以控制發(fā)動機和燃料供給系統(tǒng)的操作。
已知在現(xiàn)有技術(shù)中在發(fā)動機搡作模式之間進行切換。例如，在分層進氣汽油發(fā)動 機中，在分層稀當量比到預(yù)混合化學(xué)計量比操作之間的切換已知構(gòu)成挑戰(zhàn)，因為當量 比從稀到濃突然變化，而燃料保持不變。在本發(fā)明中，當轉(zhuǎn)換燃料時當量比也突然變 化，因為氫的最佳組合操作特性在當量比小于0. 5時實現(xiàn)，而其他燃料(碳氫化合物、 醇類等)的期望的燃料和排放操作特性在當量比為1.0時實現(xiàn)。燃料切換可以在單循 環(huán)中實現(xiàn)，而切換期間空氣滯后從而造成挑戰(zhàn)。本發(fā)明不同于在分層進氣發(fā)動機中的 現(xiàn)有技術(shù)切換，因為在本發(fā)明中燃料變化，當量比也變化。
已知在現(xiàn)有技術(shù)中操作雙燃料發(fā)動機，其中在兩種燃料之間進行切換，如在汽油 和丙烷之間或在汽油和乙醇之間。然而，大多數(shù)已知的燃料(氣態(tài)碳氧化合物、液態(tài)
碳氫化合物、及醇類)相比較于氫燃料(約0. IO稀當量比限制和3濃當量比限制) 具有較窄范圍的可燃性、當量比(約0.65稀當量比限制和1.7濃當量比限制)。因 為大多數(shù)燃料不能在較稀當量比下充分燃燒，該大多數(shù)燃料穩(wěn)定的，稀當量比操作發(fā) 生在產(chǎn)生高N0x的區(qū)域。因此，除了氫之外大多數(shù)燃料在化學(xué)計量比，即當量比為l 下操作。因為氫的較稀混合物燃燒充分，產(chǎn)生的N0x的量較小，允許這種稀當量比搡 作，而沒有較大的排放問題。盡管氫可以在較大范圍的當量比中燃燒，但在內(nèi)燃發(fā)動 機中，氫在0.15到0.5當量比范圍中使用，因為當搡作濃于0.5當量比時，產(chǎn)生氫 的粗劣燃燒和自燃，這種工況應(yīng)避免。因此，在雙燃料發(fā)動機中，兩種燃料的一種為 氫，當從氫到汽油進行切換時，發(fā)生從約0. 5當量比，或更稀的當量比到1. 0當量比 的切換。
總之，本發(fā)明不同于現(xiàn)有技術(shù)在分層稀當量比操作和化學(xué)計量比操作之間切換， 如上所述，因為在本發(fā)明中當量比和燃料類型都發(fā)生切換。本發(fā)明不同于現(xiàn)有技術(shù)雙 燃料切換，因為當燃料的一種是氫時，根據(jù)本發(fā)明，在燃燒模式之間切換導(dǎo)致燃料類 型和當量比兩者增加；然而，在現(xiàn)有技術(shù)中兩種燃料中沒有氫，當燃料類型發(fā)生變化 時，當量比基本上不會變化。
通過電子燃料噴射器輸送的氣態(tài)燃料，在單循環(huán)中可以開啟、關(guān)閉、或在中間任 何位置，在燃料噴射器位于進氣道中的情況下僅有的瞬態(tài)問題是在進氣歧管中的燃料 剩存。直接供應(yīng)到燃燒室(直接噴射)的液態(tài)燃料在單循環(huán)中受到影響。然而，由于 在進氣道表面形成燃料膜，供應(yīng)到進氣道(進氣道噴射)的液態(tài)燃料出現(xiàn)一些困難。 這是因為當觸發(fā)噴射器時，噴灑的燃料中的一些潤濕歧管壁，不能直接進入到燃燒室。 當停止液態(tài)燃料進氣道噴射器時，保留在進氣道壁上的壁上燃料膜去除并引入到燃燒 室中；這種燃料剩存需要進行幾次進氣事件清空。例如，由于歧管充填或清空需要進 行幾次發(fā)動機循環(huán)，突然改變引入到汽缸中的空氣量出現(xiàn)問題。因此，從一種燃料到 另一種燃料的切換需要進行至少幾次發(fā)動機循環(huán)。在一個實施例中，在燃料之間的切 換在數(shù)十次循環(huán)上完成。
在一個實施例中，在切換期間輸送兩種燃料，同時調(diào)節(jié)供應(yīng)的空氣到新的工況。 本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)知道當使用氫以補充汽油(或其他的碳氫化合物燃料)時，有助于 在比只可能使用汽油時稀得多的當量比下燃燒。
在圖2a，如圖所示，當超過閾值BMEP時使用燃料2。該閾值與大于期望的水平 例如0. 5的氫當量比有關(guān)。即產(chǎn)生超過閾值BMEP,氫當量比將超過0. 5。在圖2b中， 在氫操作上施加附加的限制，因為當活塞速度超過特定閾值時，發(fā)動機切換到燃料2。
當較冷時，發(fā)動機在氫燃料上起動，不會出現(xiàn)如液態(tài)燃料的冷起動蒸發(fā)和混合問 題。在圖3中，當催化劑達到其起燃溫度且超過閾值BMEP時，僅使用燃料2。
在圖4,在時間線示出從氫切換到汽油的一個實施例。在切換之前，使用氫；在 切換之后，使用汽油；在切換期間使用兩種燃料的組合。在頂部曲線a中，扭矩遞增。 在底部曲線e中，在切換之前當量比O小于0. 5。如上所述，當氫當量比接近0. 5時， 期望從氫切換到汽油，因此，開始切換。在曲線c中，在切換之前增加提供的氫的量 以增加曲線a的扭矩。在切換之前，曲線b的空氣輸送率dnu/dt保持不變，通過增 加氫提供附加的扭矩。在切換開始時，部分地關(guān)閉節(jié)氣門，減少空氣量。空氣供應(yīng)減 少以便到切換結(jié)東時供應(yīng)的空氣要求達到。=1. 0, 0=1. 0是除了氫之外的所有燃料期 望的當量比。具有切換時期的原因之一是空氣輸送不能在一個發(fā)動機循環(huán)中改變。然 而，即使當節(jié)氣門快速開啟時，歧管充填及提供期望的空氣量到發(fā)動機需要幾次發(fā)動 機循環(huán)。因為在切換剛開始之后空氣多于期望的，繼續(xù)氫供應(yīng)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)知 道通過使用氫補充常規(guī)的燃料，常規(guī)的燃料可以在沒有氫的存在時不能充分燃燒的當 量比中充分燃燒。因此，氫在整個切換時期繼續(xù)供應(yīng)，直到當量比達到期望的1.0, 在該時間停止氫供應(yīng)。或者，未在圖中示出，在當量比達到常規(guī)燃料例如汽油可以充 分燃燒的比率如大于0. 8時停止供應(yīng)氫。在切換開始時啟動汽油供應(yīng)。然而，如上所 述，因為空氣不能按期望快的速度減少，在切換時間繼續(xù)供應(yīng)氫以確保燃燒。在切換 期間中，增加汽油，減少氫，以及減少空氣，以便到切換時期結(jié)東時，執(zhí)行汽油操作 而沒有氫輔助。
在圖5,替代的實施例如圖所示，其中切換的開始部分類似于如圖4所示。然而， 在切換期間的一點上，當量比跳到l. 0,并在切換的剩余時間保持在1.0。這樣做以 避免0.85 - 0. 90當量比的高N0x區(qū)域。然而，在1. 0當量比的切換期間，氫供應(yīng)繼 續(xù)地減少，汽油供應(yīng)增加。在切換結(jié)束時，氫供應(yīng)停止。
在上述討論中，描述了氬-汽油切換。然而，作為示例參考汽油，并不意圖限制。 此外，在(1)=0. 5時發(fā)生切換也作為示例。實際的切換可以發(fā)生在稍微低于或高于0.5 的當量比。
從較高扭矩切換到較低扭矩時，其中汽油(或其他的燃料)搡作切換到氫操作可 以在如圖4和圖5所示的相反的內(nèi)容中實現(xiàn)。若不同于氫的燃料為液態(tài)燃料，且為進 氣道噴射，考慮在進氣歧管中的燃料剩存以提供期望的燃料到燃燒室。
雖然詳細描述了實施本發(fā)明的幾個模式，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認識到實施本發(fā)明 的替代的實施例和設(shè)計。上述實施例意圖示出本發(fā)明，在本文的權(quán)利要求范圍之內(nèi)可 以進行修改。
權(quán)利要求
1. 一種在內(nèi)燃發(fā)動機中從第一操作模式到第二操作模式切換的方法，包括:充分減少空氣供應(yīng)，所述減少在切換啟動時開始；在切換啟動時減少供應(yīng)到所述內(nèi)燃發(fā)動機的第一燃料的量；及在切換啟動時啟動第二燃料到所述內(nèi)燃發(fā)動機的供應(yīng)。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述第一燃料基本上為100%的氫，所述第二燃料主要包括碳氫化合物。
3. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，還包括在所述切換期間不斷地減少所述第一燃料的供應(yīng)量，在所述切換的結(jié)東時所述第 一燃料不再供應(yīng)到所述內(nèi)燃發(fā)動機；及協(xié)同所述第一燃料的減少在所述切換期間增加所述第二燃料的供應(yīng)量。
4. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，通過關(guān)閉設(shè)置在發(fā)動機進氣中的節(jié)氣門實現(xiàn)所述空氣供應(yīng)減少。
5. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，響應(yīng)于發(fā)動機活塞速度超過閾值啟 動所述切換。
6. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，響應(yīng)于BMEP需求超過閾值啟動所述 切換。
7. —種在內(nèi)燃發(fā)動機中在兩種操作模式之間切換的方法，包括 充分增加空氣供應(yīng)，所述增加在切換啟動時開始；在切換啟動時啟動第一燃料氫到所述內(nèi)燃發(fā)動機的供應(yīng)；及在切換啟動時減少到所述內(nèi)燃發(fā)動機的第二燃料的供應(yīng)量。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，響應(yīng)于扭矩減少小于閩值BMEP的需 求啟動所述切換。
9. 如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，在切換啟動時到所述內(nèi)燃發(fā)動機的 所述氫的供應(yīng)促使關(guān)于只有氫燃料的當量比至少為o.i。
10. —種在內(nèi)燃發(fā)動機中從第一操作模式到第二操作模式切換的方法，包括 在所述切換啟動時指令節(jié)氣門朝向關(guān)閉位置；在所述切換啟動時減少供應(yīng)到所述內(nèi)燃發(fā)動機的氫的量；及 在所述切換啟動時啟動到所述內(nèi)燃發(fā)動機的液態(tài)燃料的供應(yīng)。
11. 如權(quán)利要求io所述的方法，其特征在于，在所述切換期間，氫供應(yīng)具有基 于氫燃料的至少o. l的當量比。
12. 如權(quán)利要求IO所述的方法，其特征在于，基于發(fā)動機活塞速度下降小于閎值活塞速度啟動所述切換。
全文摘要
本發(fā)明涉及使用氫的雙燃料發(fā)動機。公開一種從以氫作為燃料供應(yīng)給發(fā)動機到以另一種燃料供應(yīng)給發(fā)動機進行切換的方法。另一種燃料可以是例如汽油、汽油和醇類混合物、或氣態(tài)燃料。因為更好的空氣利用，且另一種燃料占據(jù)較少的燃燒室空間，另一種燃料具有比氫提供更高的BMEP的能力。因為燃燒氫的期望的當量比在0.5或更少，而燃燒另一種燃料的期望的當量比在1.0，當BMEP的需求導(dǎo)致從氫燃料到另一種燃料的改變時，減少供應(yīng)到發(fā)動機的空氣的量以提供更大的扭矩或相反。在切換期間啟動液態(tài)燃料供應(yīng)，可以期望繼續(xù)提供一些氫，不稀于0.1的氫當量比。
文檔編號F02D19/06GK101387229SQ200810212380
公開日2009年3月18日 申請日期2008年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月14日
發(fā)明者威廉·弗朗西斯·施托克豪森, 戴安娜·道恩·布雷霍布 申請人:福特環(huán)球技術(shù)公司