[发明专利]使用氢的双燃料发动机

说明书

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