專利名稱：氫氣燃料火花點火發動機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種以氣態氫氣為燃料的往復式火花點火內燃機。
背景技術：
長久以來，氫氣一直被看作是一種具有引人關注的潛在的發動機燃料。一方面，因為燃料中不存在碳，所以氫氣燃燒產生非常少的碳氫化合物(HC)、一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)。而且，含碳的廢氣成分只是從參與燃燒的少量潤滑油中產生。因此，從排氣凈化的觀點來說，氫氣是一種令人滿意的燃料。因為它的燃燒特性，特別是它的非常低的可燃性極限，使得它能以非常低的空氣/燃料比運行氫氣燃料的發動機。對于本說明書，將對當量比進行討論，一般在汽車的用法中指化學計量空氣/燃料比與實際空氣/燃料比的比例。因此，當量比的值小于對應的稀空氣/燃料比，而大于相應的濃空氣/燃料比。根據本發明的系統，無論發動機的轉速和負載如何，對稀NOx阱的凈化將在濃空氣/燃料比(亦即)時出現。
由于氫氣的高火焰速度，將氫氣作為發動機燃料來使用會產生一個問題。雖然氫氣的化學計量空氣/燃料比大約為34.2∶1，當沒有再循環廢氣(EGR)時，由于自動點火產生的問題，大部分發動機不能在(亦即化學計量空氣/燃料比)下運行。簡單地說，自動點火是由于火花點火導致的在通過混合氣傳送的火焰鋒到達之前，混合氣在燃燒室中發生自燃的趨勢。因為涉及到自動點火的原因，為了防止自動點火并且提供穩定的燃燒，需要在非常稀的燃料條件下(空氣/燃料比大約為65∶1)來運行含有氫氣燃料的發動機。然而，如果使用高水平的EGR，發動機就可以在時運行，盡管伴隨著燃料燃燒效率的損失。因此，為了使燃料燃燒效率最大化，希望在情況下運行。為了避免前述的自動點火，需要保持壓縮比為相對較低的值，這就導致現有氫氣燃料發動機的另一個問題。在一種作為公開研究的發動機中，在壓縮比大約為10∶1的情況下運行氫氣燃料的發動機。然而，本發明的發明者確定，如果根據本發明的說明書和權利要求書來控制發動機，可以在壓縮比為14∶1-15∶1的情況下操作氫氣燃料的發動機。
發明內容
一種氫氣燃料的往復式火花點火發動機，包括一個給發動機氣缸提供氣態氫的燃料系統，和一個連接在發動機上用來處理發動機廢氣的稀NOx阱。一個再循環廢氣(EGR)系統向發動機的進氣口提供再循環廢氣，在定期凈化稀NOx阱以便發動機能在臨近化學計量空氣/燃料比的情況下運行的期間，一個控制器操作燃料系統和EGR系統，同時EGR的質量接近空氣和燃料的質量。燃料系統和EGR系統在控制器的控制下運行，以便或者在定時地或者通過集成安裝在車輛或發動機的排氣系統內的NOx傳感器的輸出，來凈化稀NOx阱。
如果使用定時基礎來安排凈化處理，就可以例如使用發動機的操作時間的大約3-5％來操作EGR系統和燃料系統來凈化稀NOx阱。
根據本發明的另一個方面，氫氣燃料往復式火花點火發動機可以具有一個燃料系統和一個EGR系統，這兩個系統在等于或接近最大負載時受到控制，以便發動機能達到一個與凈化安裝在發動機排氣系統中的稀NOx阱期間所應用的空氣/燃料比和EGR比例相同的空氣/燃料比和EGR比例。
根據本發明的另一個方面，氫氣燃料往復式火花點火發動機可以進一步包括安裝在稀NOx阱的上游或下游的三元催化器。由于具有本發明的系統并且按照本發明進行操作的發動機不允許在廢氣中用足夠的氫來產生所需的還原劑，所以在凈化過程需要額外的還原劑的情況下，發動機就進一步包括一個輔助燃料系統，該系統向稀NOx阱上游的發動機排氣系統提供氫氣。
根據本發明的發動機可以在大約0.15到0.65之間的當量比下進行操作，除了當稀NOx阱正在凈化的情況，在這種情況下，當量比將大于1.0，同時具有大量的EGR以避免提前點火。在這種情況下，EGR質量流動速率大約為進入發動機燃燒室的總質量流動的40％-80％。
根據本發明的另一個方面，一種操作安裝有稀NOx阱并燃燒氣態氫氣的往復式內燃機的方法，包括在大約0.15到0.65之間的當量比下操作發動機的步驟，其中該精確的當量比是發動機速度和負載的函數。當凈化稀NOx阱時，將當量比大約設置為1.1。本方法可以進一步包括按照EGR的質量近似與凈化稀NOx阱時的空氣和燃料的質量相同來操作發動機的步驟。本方法可以進一步包括按照EGR的質量近似與凈化稀NOx阱并且發動機在等于或接近于最大負載運行時的空氣和燃料的質量相同來操作發動機的步驟。
根據本發明的系統和方法的一個優點是，可以使用氫燃料，在極端稀薄的情況下進行操作以實現最大燃料燃燒效率，因此可以利用氫氣的最好的特性，除非是需要稀NOx阱再生時，此時發動機可以和濃的EGR在大于化學計量空氣/燃料比時進行操作，這樣就使減少的大氣出現在稀NOx阱的前端面，因此就可以實現極好的稀NOx阱的再生。
本發明的另一個優點是，根據本系統和方法的發動機的操作，可以利用比那些典型地在氫燃料發動機中發現的更大的壓縮比。在根據本發明進行操作的發動機中，與高百分比的再循環廢氣混合在一起的氫氣和空氣在重量為40-80％的范圍之內。這些廢氣有助于防止氫氣和空氣的自動點火。實際上，廢氣是一種稀釋劑，這種稀釋劑能參加燃燒反應產生放熱；相反，廢氣吸收燃燒能量并使燃燒的氣體混合物的最高溫度降低。另外，廢氣中含有水，妨礙了導致自動點火的連鎖反應。
本發明的另一個優點是，根據現在使用的系統和方法進行操作的發動機，可以在不需要后處理的情況下進行操作，除了稀NOx阱。
本說明書的讀者可以明了本發明的其它優點、及目標和特征。
圖1為根據本發明的火花點火氫燃料發動機的示意圖。
圖2為描述根據本發明的稀NOx阱的再生方法的流程圖。
圖3為第一個三維圖，顯示根據本發明的一個方面的火花點火氫燃料發動機的作為發動機速度和負載的函數的當量比。
圖4為第二個三維圖，顯示根據本發明的一個方面的火花點火氫燃料發動機的作為發動機速度和負載的函數的當量比。
具體實施例方式
如圖1所示，發動機10具有多個氣缸12，氣缸12通過多個火花塞14進行工作。多個燃料噴射器18給氣缸12提供氣態氫，同時燃料與分別通過節流板16和EGR閥24進入的空氣和EGR相混合。EGR閥24、燃料噴射器18，以及優選地節流板16通過電子發動機控制器22進行操作。選自本領域技術人員所知的發動機控制器的類別中并由本披露內容提出的控制器22具有處理器(CPU)、輸入/輸出端口、包含處理器可執行指令和校正值的電子存儲介質、只讀存儲器、隨機存儲器和保活存儲器。控制器22從多個連接在發動機10上的傳感器36上接收信號，并且控制火花塞14的火花定時，控制由噴射器18提供燃料，控制由閥24控制的EGR流，控制由節流板16控制的發動機空氣流。在一種實施例中，如果需要，電子發動機控制器22還可以通過輔助燃料噴射器26向發動機排氣系統提供附加燃料。本發明的發明者認為，一些發動機不允許充足的氫燃料進入燃燒室，這樣就使得在發動機排氣系統中有正常水平的還原劑，其結果是，對于這種發動機，就必須直接向排氣系統提供氫氣。噴射器26滿足了這個要求。
電子發動機控制器22進一步從廢氧傳感器38和測量排氣管46中NOx的濃度的排放NOx傳感器44接收信號。本發明的催化后處理系統包括一個第一后處理裝置32和第二后處理裝置34。第一后處理裝置32可以在“A”處包括一個三元催化器(TWC)，其后是位于“B”處的一個稀NOx阱。可選地，第一后處理裝置32可以在A和B處包括兩個稀NOx阱，或者一個稀NOx阱。在另一種情況下，第一后處理裝置32可以包括一個安裝在稀NOx阱的下游的TWC。重要的是，在任何情況下，第一后處理裝置32包括至少一個稀NOx阱，而稀NOx阱本身是三元催化器的一種類型。
第二后處理裝置34是可選的，并且可以包括選擇性催化還原(SCR)轉換器，該轉換器收集凈化上游NOx阱期間所形成的任何的氨水。在隨著稀NOx阱的凈化而在低空氣/燃料比(亦即)進行操作的過程中，存儲在SCR中的氨水可以用來降低沒有被稀NOx阱存儲的NOx。
圖2圖示了根據本發明的氫燃料火花點火的發動機的操作方法。由程序塊60開始，發動機控制器22移動到程序塊62，在低空氣/燃料比或化學計量空氣/燃料比(亦即)加EGR的情況下開始操作。可以想象，不管使用何種策略，在相應于0.15到0.65的當量比的低空氣/燃料比的情況下，會消耗發動機的一些操作時間。如果在另一方面，期望在等于或接近最大負載時進行操作，在操作時，打開節流板16并且將EGR閥24打開到一定程度，進氣歧管20內的壓力接近周圍空氣壓力，這樣達到最大負載，操作發動機10從而達到與在第一后處理裝置32中使用的稀NOx阱的再生期間的值為的EGR比例相同的空氣/燃料比和EGR比。在圖3中圖示了這種策略，在圖3中，當量比被控制為發動機速度和負載的函數，同時空氣/燃料混合氣增加到大約最大負載時的。
在凈化稀NOx阱和在根據圖3所示策略下的最大負載進行操作的過程中，通常使用的EGR的數量為燃燒室內質量百分比40％-80％的范圍內。換句話說，燃燒室中接近一半的質量百分比是再循環的廢氣。這種大量地使用對于避免自動點火是必要的，如本說明書前面所描述的那樣。
圖4圖示了根據本發明的一種操作策略，在這種策略中，在正常的操作期間，當量比保持在0.70以下。如圖3所示的策略，在稀NOx阱的凈化期間，值增加。
現在繼續看圖2所示策略的描述，在程序塊64上，電子發動機控制器22詢問是否指示再生。對于再生或凈化的要求，可以通過建模來決定稀NOx阱，包括，例如，通過發動機的燃料流、操作負載、和/或發動機進行操作的時間來跟蹤燃料流。按照本披露內容，本領域技術人員可以理解，通過考慮本領域技術人員所知并由本披露內容所提出的發動機的其它操作參數，并記錄在這些參數下運行的發動機的載荷值，可以支持這種建模方法。另一種情況下，NOx傳感器44可以與集成方案一起使用，來決定什么時候第一后處理裝置32中的稀NOx阱需要被再生。在典型的城市—郊區循環線路的交通工具中，再生需要占用大約3-5％的發動機操作時間。
如果在程序塊64中提出問題的回答是“是”，那么電子發動機控制器22通過在高空氣/燃料比加上大量的接近于燃燒室中存在的質量百分比為40-80％的EGR情況下運行發動機來開始進行再生策略。此后，在程序塊72處繼續進行程序。通過功率計的使用、或通過建模、或通過這兩種技術的結合，來確定EGR精確的百分比。
本發明的發明者確定，為了獲得凈化稀NOx阱所需要的較高的空氣/燃料比，優選地向發動機過量提供氫氣燃料而不是將氫氣噴射到發動機下游的排氣系統，因為氫氣的直接噴射會產生大量的熱量，這會導致稀NOx阱不能在最佳的效率范圍內進行操作。
雖然結合特定的實施例描述了本發明，但是可以理解，本領域技術人員可以進行不同的修改、改變和變化，而不脫離于本發明的精神和范圍。因此本發明僅僅由所附的權利要求書限定。
權利要求
1.一種氫燃料往復式火花點火發動機，包括一個給發動機氣缸提供氣態氫氣的燃料系統；一個連接在發動機上用來處理發動機排氣的稀NOx阱；一個給發動機提供再循環廢氣的EGR系統；以及一個在稀NOx阱的周期性凈化過程中操作燃料系統和EGR系統的控制器，從而在高于化學計量空氣/燃料比的情況下操作發動機，同時EGR的質量接近于空氣和燃料質量的40-80％。
2.如權利要求1所述的氫燃料往復式火花點火發動機，其特征在于，通過控制器操作燃料系統和EGR系統，從而在定時的基礎上凈化稀NOx阱。
3.如權利要求1所述的氫燃料往復式火花點火發動機，其特征在于，當一個由控制器所運行的模型指示應該凈化稀NOx阱時，通過控制器操作燃料系統和EGR系統，從而在定時的基礎上凈化稀NOx阱。
4.如權利要求2所述的氫燃料往復式火花點火發動機，其特征在于，操作燃料系統和EGR系統來凈化稀NOx阱大約占發動機操作時間的3-5％。
5.如權利要求1所述的氫燃料往復式火花點火發動機，其特征在于，發動機的壓縮比大于10∶1。
6.如權利要求1所述的氫燃料往復式火花點火發動機，其特征在于，發動機的壓縮比在大約14∶1-15∶1的范圍內。
7.如權利要求1所述的氫燃料往復式火花點火發動機，其特征在于，在等于或接近于最大負載時進行操作的過程中控制燃料系統和EGR系統，以獲得與在稀NOx阱凈化過程中所使用的空氣/燃料比相同的空氣/燃料比。
8.如權利要求1所述的氫燃料往復式火花點火發動機，進一步包括安裝在稀NOx阱上游的三元催化器。
9.如權利要求1所述的氫燃料往復式火花點火發動機，進一步包括安裝在稀NOx阱下游的NOx傳感器，所述的傳感器產生一個相應于廢氣流中NOx的濃度的信號，同時所述的傳感器操作上連接在所述的控制器上。
10.如權利要求1所述的氫燃料往復式火花點火發動機，進一步包括一個安裝在稀Nox阱下游的SCR轉換器。
11.如權利要求1所述的氫燃料往復式火花點火發動機，進一步包括一個給稀NOx阱上游的發動機排氣系統提供氫氣的輔助燃料系統。
12.如權利要求1所述的氫燃料往復式火花點火發動機，其特征在于，在當量比大約為0.15到0.65之間操作發動機，除了當凈化稀NOx阱時。
13.如權利要求1所述的氫燃料往復式火花點火發動機，其特征在于，在當量比大約為0.15到0.65之間操作發動機，除了當凈化稀NOx阱和發動機在等于或接近最大負載被操作時。
14.如權利要求1所述的氫燃料往復式火花點火發動機，進一步包括一個安裝在稀NOx催化器下游的三元催化器。
15.如權利要求1所述的氫燃料往復式火花點火發動機，其特征在于，EGR的質量流大約等于空氣和燃料的質量。
16.一種操作裝有稀NOx阱的以氣態氫氣為燃料的往復式內燃機的方法，包括步驟除凈化稀NOx阱以外，在大約0.15到0.65的當量比下操作發動機；以及當凈化稀NOx阱時，在大約1.1的當量比下操作發動機。
17.如權利要求16所述的方法，進一步包括當凈化稀NOx阱時按照EGR的質量大約等于空氣和燃料的質量來操作發動機的步驟。
18.如權利要求16所述的方法，進一步包括當凈化稀NOx阱并且發動機在等于或接近最大負載的情況下被操作時按照EGR的質量大約等于空氣和燃料的質量來操作發動機的步驟。
19.一種操作往復式內燃機的方法，包括步驟給發動機燃燒室提供充分預混合的空氣和氫氣，其中，所述的空氣和氫氣處于近似一致的當量比；以及給燃燒室提供殘余氣體，超過氣體總質量40％的殘余氣體提供給燃燒室。
20.如權利要求19所述的方法，其特征在于，殘余氣體包括從前一個燃燒事件中進入燃燒室的發動機廢氣和在燃燒室中循環的發動機廢氣。
21.如權利要求19所述的方法，其特征在于，發動機具有一個位于連接在發動機上的排氣系統中的三元催化器。
全文摘要
一種氫氣燃料往復式火花點火發動機，包括一個給發動機的氣缸提供氣態氫氣的燃料系統和一個連接在發動機上用來處理發動機廢氣的稀NOx阱。EGR系統給發動機提供再循環的廢氣，并且在周期性凈化稀NOx阱期間，控制器操作燃料系統和EGR系統，這樣就使發動機在燃料豐富的情況下進行操作，同時EGR的質量大約為空氣和燃料質量的40％－80％。
文檔編號F01N3/08GK1523217SQ0312492
公開日2004年8月25日 申請日期2003年9月19日 優先權日2002年9月20日
發明者羅伯特·杰伊·納特金, 羅伯特 杰伊 納特金, 克 哈希米, 唐曉國, 羅伯特 泰斯, 西亞馬克·哈希米, F 斯托克豪森, 約瑟夫·羅伯特·泰斯, 威廉·F·斯托克豪森 申請人:福特全球科技公司