[發(fā)明專利]氣體燃料內(nèi)燃機(jī)及氣體燃料內(nèi)燃機(jī)的控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200680051780.6
• 申請日: 2006-12-28
• 公開（公告）號: CN101336339A
• 公開（公告）日: 2008-12-31
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 品川知廣;鈴木誠
• 申請（專利權(quán)）人: 豐田自動車株式會社
• 主分類號: F02D19/02
• 分類號: F02D19/02
• 代理公司: 北京市中咨律師事務(wù)所
• 代理人: 馬江立;柴智敏

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種能夠以諸如氫等的氣態(tài)燃料進(jìn)行工作的氣體燃料內(nèi)燃機(jī)。

背景技術(shù)

如日本專利申請公報No.JP-A-6-88542中所述，諸如氫之類的氣態(tài)燃料可以用作內(nèi)燃機(jī)的燃料。氫的可燃范圍寬至4-75的體積百分比，并且能夠在極稀的混合氣(空氣過剩率λ等于或大于大約4)中容易地燃燒。因此，如果使用氫作為內(nèi)燃機(jī)的燃料，則即使在極稀的空燃比下也能提取出功率，從而使得可以實現(xiàn)所謂的“超稀燃燒工作”。

在超稀燃燒工作中，可以完全打開節(jié)氣閥，由此減小泵吸損耗并降低燃燒溫度，這又導(dǎo)致冷卻損耗的減少。泵吸損耗和冷卻損耗的減少提高了發(fā)動機(jī)效率，從而可以使發(fā)動機(jī)以優(yōu)異的燃料經(jīng)濟(jì)性和高效率來運(yùn)行。此外，燃燒溫度的降低有助于抑制NOx的排放，并且氫燃料的使用還能夠防止任何CO₂和CO的產(chǎn)生。這意味著以氫為燃料的超稀燃燒工作能夠?qū)崿F(xiàn)完全零排放。

但是，在高負(fù)載區(qū)域中，很難實現(xiàn)以氫為燃料的超稀燃燒工作，因為盡管為了產(chǎn)生實現(xiàn)運(yùn)行所需的輸出功率而在高負(fù)載區(qū)域中增加了氫燃料的量，但是為了該目的而可以使用的進(jìn)氣的量有限。由于該原因，在高負(fù)載區(qū)域中，與氫的量相比，所吸入的空氣量不足，由此使得不能保持所需的超稀燃燒空燃比。

空燃比對內(nèi)燃機(jī)中的效率和排放控制具有重大影響。圖32示出空氣過剩率λ對內(nèi)燃機(jī)的熱效率和冷卻損耗的影響，其中X軸表示空氣過剩率λ，Y軸表示熱效率和冷卻損耗。如圖所示，隨著空氣過剩率λ減小，冷卻損耗增大。特別地，如果空氣過剩率λ變得小于2，則冷卻損耗急劇增加。結(jié)果，當(dāng)空氣過剩率λ在2附近時，內(nèi)燃機(jī)的熱效率到達(dá)峰值點(diǎn)，然后在λ小于2的區(qū)域內(nèi)，隨著空氣過剩率λ減小，熱效率逐漸減小。

圖33表示在氫和汽油分別用作燃料的情況下，與NOx排放量相對于空氣過剩率λ的變化相對應(yīng)的曲線圖，其中X軸表示空氣過剩率λ，Y軸表示NOx排放量。如這些曲線圖中所示，在氫用作燃料的情況下，當(dāng)空氣過剩率λ大于2時，NOx排放量幾乎為零。但是，在空氣過剩率λ小于2時，氫用作燃料情況下的NOx排放量迅速增加至大于汽油用作燃料情況下的NOx排放量。

如上所述，只要空氣過剩率λ保持為大于2，以氫為燃料的內(nèi)燃機(jī)(“氫內(nèi)燃機(jī)”)本質(zhì)上能夠以高效率和低排放進(jìn)行工作；但是，在空氣過剩率λ小于2的情況下，其效率降低并且NOx排放量急劇增加。這是因為氫的燃燒速率比諸如汽油等的碳?xì)淙剂细邤?shù)倍(略小于十倍)，還因為當(dāng)空燃比接近化學(xué)計量空燃比(也就是λ＝1)時，燃燒進(jìn)行得更快。圖34描述了分別在λ＝1和λ＝2時，與生熱速率隨曲柄角的變化相對應(yīng)的曲線，其中X軸表示曲柄角，Y軸表示生熱速率。如這些曲線圖所示，在λ＝2時，生熱速率緩慢增加并且具有較低的峰值。另一方面，在λ＝1時，生熱速率迅速增加并且具有較高的峰值。當(dāng)生熱速率的峰值變得較高時，燃燒室中的空燃混合物的燃燒變得迅速且猛烈。

這樣的快速燃燒導(dǎo)致燃燒室中的燃燒溫度升高。結(jié)果，如上所述，冷卻損耗增加并且NOx排放量劇增。此外，在實踐中，缸內(nèi)壓力上升率顯著增高，使得燃燒噪聲和對發(fā)動機(jī)主體的損害明顯增加。這些因素使得很難使傳統(tǒng)的氫內(nèi)燃機(jī)在持續(xù)的高負(fù)載下運(yùn)行。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種在從低負(fù)載區(qū)域到高負(fù)載區(qū)域的較寬工作范圍上都能夠以高效率和低排放運(yùn)行的氣體燃料內(nèi)燃機(jī)，并提供了用于該內(nèi)燃機(jī)的控制方法。

根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種能夠用氣態(tài)燃料工作的氣體燃料內(nèi)燃機(jī)，該內(nèi)燃機(jī)包括：用于將所述氣態(tài)燃料直接噴射到燃燒室內(nèi)的缸內(nèi)噴射閥；沿著從所述缸內(nèi)噴射閥噴射的所述氣態(tài)燃料的噴流方向設(shè)置的點(diǎn)火裝置；以及控制單元，所述控制單元用于控制所述點(diǎn)火裝置的工作正時和所述缸內(nèi)噴射閥的工作正時，以根據(jù)從所述缸內(nèi)噴射閥噴射的所述氣態(tài)燃料在稀預(yù)混合燃燒工作模式和擴(kuò)散燃燒工作模式之間切換。當(dāng)所述內(nèi)燃機(jī)在指定的工作區(qū)域內(nèi)工作時，所述控制單元選擇用于使所述氣態(tài)燃料以稀空燃比預(yù)混合并燃燒的稀預(yù)混合燃燒工作模式，而當(dāng)所述內(nèi)燃機(jī)在與所述指定的工作區(qū)域相比負(fù)載更高的工作區(qū)域內(nèi)工作時，所述控制單元選擇用于使所述氣態(tài)燃料擴(kuò)散燃燒的擴(kuò)散燃燒工作模式。

根據(jù)本發(fā)明的第二方面，所述內(nèi)燃機(jī)是使用氫氣作為所述氣態(tài)燃料的氫內(nèi)燃機(jī)。

根據(jù)本發(fā)明的第三方面，在空氣過剩率能夠保持為實質(zhì)地(基本上，substantially)等于或大于2的工作區(qū)域內(nèi)，所述控制單元選擇所述稀預(yù)混合燃燒工作模式，而在所述空氣過剩率不能保持為實質(zhì)地等于或大于2的工作區(qū)域內(nèi)，所述控制單元選擇所述擴(kuò)散燃燒工作模式。