專利名稱：向內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)供給氫氣和甲烷作燃料的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種向狄塞爾循環(huán)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)供給氫氣和曱烷作燃料
從而提高燃燒穩(wěn)定性并減少氮氧化物(N0x)、未燃燒碳?xì)浠衔锖皖w 粒物質(zhì)(PM)排放的方法和裝置。
背景技術(shù)：
因?yàn)橹T如天然氣、丙烷、氫氣及其混合物的氣體燃料與諸如柴油的 液體燃料相比是更加清潔的燃料，當(dāng)前的注意力已轉(zhuǎn)向研發(fā)能夠在匹配 發(fā)動(dòng)機(jī)操作者常常期望從柴油發(fā)動(dòng)機(jī)得到的功率和性能的同時(shí)燃燒此 類氣體燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)。
使用稀燃火花點(diǎn)火(LBSI)的以天然氣作燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)用相對(duì)較低
的壓力將燃料引入進(jìn)氣歧管或進(jìn)氣口。為避免由燃燒室內(nèi)燃料的過(guò)早爆 燃引起的發(fā)動(dòng)機(jī)爆震，這樣的發(fā)動(dòng)機(jī)通常以不高于約12: l的壓縮比運(yùn) 行，該壓縮比相比于壓縮比至少為14: 1的狄塞爾循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)較低，并 且這影響了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和效率。因此，雖然從LBSI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室 排出的廢氣與相等尺寸的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)相比可以有較低的N0x和PM排放， 但是這樣的LBSI發(fā)動(dòng)機(jī)也具有較低性能和能量效率，這意味著為了 做同樣數(shù)量的功，在能量基礎(chǔ)上卻消耗了更多燃料，并且為了匹配柴油 發(fā)動(dòng)機(jī)的滿量程功率和性能，需要更大的LBSI發(fā)動(dòng)機(jī)。
最近，研究已轉(zhuǎn)向?qū)⑻烊粴夂蜌錃饣旌弦杂糜诰|(zhì)火花點(diǎn)火的發(fā)動(dòng) 機(jī)。涉及這類研究的有代表性的出版物包括，由M. R. Swain、 M. J. Yusuf、 Z. Dulger和M.N. Swain所著的1993年由美國(guó)汽車工程師協(xié) 會(huì)("SAE")出版的SAE技術(shù)論文932775 "添加氫氣對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī) 運(yùn)行的影響"(The Effects of Hydrogen Addition On Natural Gas Engine Operation) ^ 由Sierens和E. Rousseel于2000年發(fā)表 在ASME Journal of Engineering for Gas Turbines and Power第122 巻第135 — 140頁(yè)的"可變組分的氫氣/天然氣混合物以增加發(fā)動(dòng)機(jī)效率 和減少排放，，(Variable Composition Hydrogen/Natural Gas Mixtruesfor Increased Engine Efficiency and Decreased Emissions ); 由 S. R. Munshi、 C. Nedelcu、 J. Harris等人在2004年發(fā)表的SAE技術(shù)論 文2004- 01-2956 "重型渦輪增壓稀燃火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的氫氣混合天然 氣運(yùn)行，，(Hydrogen Blended Natural Gas Operation of a Heavey Duty Turbocharged Lean Burn Spark Ignition Engine); 由S. Allenby、 W-C. Chang、 A. Megaritis和M丄Wyszynski于2001年發(fā)表在機(jī)械 工程師協(xié)會(huì)學(xué)報(bào)Part D第215巻第405-418頁(yè)的"氫富集 一種在具 有廢氣循環(huán)的以天然氣作燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)中維持燃燒穩(wěn)定性的方法，燃料 轉(zhuǎn)換的潛力"(Hydrogen Enrichment: A Way to Maintain Combustion Stability in a Natural Gas Fuelled Engine with Exhaust Gas Recirculation, the Potential of Fuel Reforming ); 由K.Collier、 N. Mulligan、 D. Shin和S. Brandon在2005年發(fā)表的SAE技術(shù)論文 2005-010235 "關(guān)于新研制的專用富集氫天然氣重型發(fā)動(dòng)機(jī)的排放效果"
(Emission Results from the New Development of a Dedicated Hydrogen-Enriched Natural Gas Heavy-Duty Engine ) 5由J. F. Larsen 和J. S. Wallace于1997年發(fā)表在ASME Journal of Engineering for Gas Turbines and Power的第119巻第218-226頁(yè)的"使用渦輪增壓 稀燃天然氣與以氫氣曱烷作燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)的排放和效率的比較"
(Comparisons of Emissions and Efficiency of a Turbocharged Lean-Burn Natural Gas and Hythane-Fuelled Engine); 由CG. Bauer 和T.W. Forest于2001年發(fā)表在國(guó)際氫氣能源雜志第26巻第55-70 頁(yè)上的"向以甲烷作燃料的汽車添加氫氣對(duì)其性能的影響.第一部分 對(duì)S丄發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，'(Effects of hydrogen addition on the performance of methane-fuelled vehicle. Part I:effect on S.I. engine performance );由G. A. Karim、 I. Wierzba和Y. Al-Alousi 于1996年發(fā)表在國(guó)際氫氣能源雜志第7期第21巻第625 - 631頁(yè)上的
"以曱烷 - 氫氣混合物作燃料"(Methane-Hydrogen Mixtures as Fuels )以及由S. 0. Akansu、 Z. Dulger、 N. Kahraman和T. Veziroglu 于2004年發(fā)表在國(guó)際氫氣能源雜志第29巻上1527 - 1539頁(yè)的"以天 然氣-氫氣混合物作燃料的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)"(Internal Combustion Engines Fuelled by Natural Gas-Hydrogen Mixtures)。在這些論文中所發(fā)表的結(jié)果表明，在按化學(xué)計(jì)量的操作中，添加氫氣會(huì)降低功率密
度并在輕微減少碳?xì)浠衔锖鸵谎趸嫉呐欧磐瑫r(shí)增加N0x。更有意義 的效果發(fā)表在稀燃預(yù)混合條件下，這時(shí)觀察到稀釋極限的顯著添加。這 歸因于改善的燃燒率和更短的點(diǎn)火延遲。對(duì)于指定的空-燃比，添加氬 氣時(shí)因更高的火焰溫度N0x的排放更高，而C0和未燃燒碳?xì)浠衔飫t顯 著減少。然而，因?yàn)闅錃饩哂袛U(kuò)展稀釋極限的能力，可通過(guò)添加氳氣在 更稀空燃比下運(yùn)行來(lái)實(shí)現(xiàn)低NOx排放。也提高了存在廢氣循環(huán)(ERG)時(shí) 的火焰穩(wěn)定性。效率影響可能依賴于所測(cè)試的運(yùn)行條件，如在Swain、 Sierens和Akansu的論文中所才艮道的一些研究顯示因添加氫氣提高了 效率，以及如Larsen和Bauer的論文中所報(bào)道的其他研究顯示降低了 效率。這種相反的結(jié)果表明雖然已經(jīng)進(jìn)行了相當(dāng)數(shù)量的研究來(lái)調(diào)查混 合天然氣和氫氣用于均質(zhì)火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的效果，但燃燒過(guò)程是復(fù)雜 的；在發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒此類燃料混合物可能非常取決于該發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行條 件；并且添加氫氣的效果以及此類效果的大小(如果有的話)是非顯而 易見(jiàn)的或不容易預(yù)計(jì)的。而且，在本說(shuō)明書(shū)中引用的所有發(fā)表論文都涉 及均質(zhì)火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)；盡管報(bào)道了一些諸如減震管(shock tube )研 究和非預(yù)混合對(duì)流曱烷/加熱空氣噴射實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，但發(fā)明者并 沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何關(guān)于這樣一類實(shí)驗(yàn)的出版物，該實(shí)驗(yàn)涉及給直噴內(nèi)燃發(fā)動(dòng) 機(jī)加包括甲烷和氫氣的混合燃料混合物。
目前正在研發(fā)能夠?qū)怏w燃料直接噴射進(jìn)高壓縮內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的燃 燒室的發(fā)動(dòng)機(jī)，但在商業(yè)上還不可用。使用這種方法的以天然氣作燃料 的發(fā)動(dòng)機(jī)可基本上達(dá)到柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、性能和效率特征，并具有較 低的N0x、未燃燒碳?xì)浠衔镆约癙M的排放。N0x在光化學(xué)煙霧的形成 中是關(guān)鍵成份，并且其是形成酸雨的罪魁禍?zhǔn)住M排放，除其他有害 健康的影響外，還與增加的心血管死亡率和兒童中肺發(fā)育缺損 (impaired lung development)有關(guān)聯(lián)。然而，對(duì)于以天然氣作燃料 的直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，已發(fā)現(xiàn)在NOx排放和未燃燒碳?xì)浠衔镆约癙M的排放之 間存在著平衡。即，噴射天然氣的晚定時(shí)有利于降低N0x，但卻導(dǎo)致更 高的未燃燒碳?xì)浠衔锖蚉M的排放。北美和世界各地的環(huán)境管理機(jī)構(gòu) 都已經(jīng)立法要大量減少內(nèi)燃機(jī)中N0x和PM的排放。因此，因?yàn)楸仨殰p少 N0x、 PM和未燃燒碳?xì)浠衔镏忻恳活惖呐欧?，所以?duì)于以天然氣作燃料的直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，與晚燃燒定時(shí)有關(guān)的更高PM排放實(shí)際上限制了燃料 噴射定時(shí)可延遲的程度。
因?yàn)樗l(fā)表的技術(shù)論文已經(jīng)報(bào)道，在特定運(yùn)行條件下以包括曱烷和 氫氣的氣體燃料混合物作為均質(zhì)火花點(diǎn)火的發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料會(huì)產(chǎn)生益處， 并且因?yàn)榄h(huán)境管理機(jī)構(gòu)已經(jīng)立法要大量減少內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中N0x和PM的 排放，以及因?yàn)槿紵^(guò)程復(fù)雜且向輸送至直接噴射式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料 混合物中添加氫氣的效果是不可預(yù)知的，所以需要確定是否能夠通過(guò)以 氫氣和天然氣作為直噴內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料來(lái)提高燃燒穩(wěn)定性并降低發(fā) 動(dòng)機(jī)排放，并且如果可以，需要確定運(yùn)行使用該種燃料從而達(dá)到提高燃 燒穩(wěn)定性和降低發(fā)動(dòng)機(jī)排放的直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種運(yùn)行直噴內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的方法。該方法包括向發(fā)動(dòng) 機(jī)的燃燒室直接引入一種氣體燃料混合物。該氣體燃料混合物包括甲烷 和在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下按體積計(jì)5%到60%的氫氣。對(duì)于至少一種發(fā)動(dòng) 機(jī)運(yùn)行條件，該方法包括當(dāng)向燃燒室引入該氣體燃料混合物時(shí)，維持燃 料軌與峰值(fuel rail to peak)缸內(nèi)壓力比至少為1.5: 1。該方法 的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例包括對(duì)于所有發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件，當(dāng)向燃燒室引入氣體 燃料混合物時(shí)，維持燃料軌與峰值缸內(nèi)壓力比至少為1.5: 1。當(dāng)該氣 體燃料混合物的組成成份在這里用體積百分?jǐn)?shù)描述時(shí)，除非另有說(shuō)明， 這定義為標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力(STP)下的百分?jǐn)?shù)。
在優(yōu)選方法中，該氣體燃料混合物可包括在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下按體 積計(jì)10% -50%、 15% - 40%的氫氣，或按體積計(jì)20% -35%的氬氣。 曱烷可以是天然氣的組成成份。該方法可進(jìn)一步包括預(yù)混合該氣體燃料 混合物并將其作為混合燃料存儲(chǔ)在儲(chǔ)氣罐中，從該儲(chǔ)氣罐可將其傳輸?shù)?發(fā)動(dòng)機(jī)。在優(yōu)選方法中，曱烷是在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下氣體燃料混合物按 體積計(jì)的最大組分。
該方法可進(jìn)一步包括控制燃料噴射定時(shí)，這樣綜合燃燒放熱的中間 點(diǎn)可出現(xiàn)在上止點(diǎn)后2 - 30曲軸轉(zhuǎn)角度數(shù)。向天然氣中添加氫氣的一個(gè) 優(yōu)點(diǎn)在于相比僅以天然氣作燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)，其燃燒定時(shí)可延遲至燃燒周 期中的更晚時(shí)間。 一種優(yōu)選方法包括控制燃料噴射定時(shí)，這樣在至少一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件，綜合燃燒放熱的中間點(diǎn)出現(xiàn)在上止點(diǎn)后5-15曲軸 轉(zhuǎn)角度數(shù)。
該方法可包括引入引燃燃料以幫助該氣體燃料混合物的點(diǎn)火。 一個(gè) 優(yōu)選方法包括在開(kāi)始噴射該氣體燃料混合物之前約1毫秒內(nèi)直接將引 燃燃料噴入燃燒室。該引燃燃料可以是一種十六烷值在40到70之間的 液體燃料。在多數(shù)情況下，十六烷值在40到50之間的液體燃料是優(yōu)選 的，常規(guī)道路級(jí)別的柴油便是一種十六烷值在該范圍內(nèi)的合適燃料。在 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行圖上，在能量基礎(chǔ)上該引燃燃料平均是發(fā)動(dòng)機(jī)所消耗燃料的 3%到10%,更多是4%到6%。與氣體燃料混合物相比，該引燃燃料 更容易點(diǎn)火，并且首先將該引燃燃料點(diǎn)火從而引起氣體燃料混合物的點(diǎn) 火。因?yàn)闅怏w燃料混合物是優(yōu)選比引燃燃料更清潔的燃燒器，所以在能 量基礎(chǔ)上該引燃燃料優(yōu)選僅表現(xiàn)為發(fā)動(dòng)機(jī)所消耗的燃料的一小部分。
代替使用引燃燃料，該方法可包括加熱燃燒室的內(nèi)表面以幫助點(diǎn)燃 氣體燃料混合物。在一個(gè)優(yōu)選方法中，該熱表面通過(guò)預(yù)熱塞提供，并且 該方法進(jìn)一步包括電加熱預(yù)熱塞。然而在另一個(gè)實(shí)施例中，該方法可包 括火花點(diǎn)火燃燒室內(nèi)的氣體燃料混合物。
該方法可進(jìn)一步包括與曱烷分開(kāi)存儲(chǔ)氫氣并將氫氣和曱烷混合形 成氣體燃料混合物。該方法可進(jìn)一步包括根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件控制氣體 燃料混合物中氬氣和曱烷的比例。
該方法可進(jìn)一步包括在至少一種發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件下，當(dāng)將氣體燃料 混合物引入燃燒室時(shí)，維持燃料軌與峰值缸內(nèi)壓力比至少為2: 1。優(yōu) 選方法包括當(dāng)將氣體燃料混合物引入燃燒室時(shí)，在燃料噴射岡的噴嘴口 處維持阻流狀態(tài)。盡管實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明通過(guò)以至少16MPa (約2350psia) 的噴射壓力向燃燒室噴射氣體燃料混合物可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的滿意運(yùn)行， 但是至少為20MPa (約2900psia)的更高燃料噴射壓力是更加優(yōu)選的。
根據(jù)該方法，在壓縮沖程過(guò)程中，燃燒室內(nèi)的進(jìn)氣被以至少約14: l的比例壓縮。高于14: 1的壓縮比與狄塞爾循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)，狄塞爾 循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)可比常規(guī)奧托循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生更高性能和效率，奧托循環(huán)發(fā) 動(dòng)機(jī)也稱作火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)并使用預(yù)混合均質(zhì)氣體，該均質(zhì)氣體將奧托 循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)限制到較低壓縮比以避免發(fā)動(dòng)機(jī)爆震。
在另一個(gè)向內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)供給燃料的優(yōu)選方法中，該方法包括將氣體燃料混合物直接引入該發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室，其中該氣體燃料混合物包括
曱烷；將氫氣引入燃燒室從而向氣體燃料混合物中添加氫氣，其中氫氣 表現(xiàn)為在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下氣體燃料混合物按體積計(jì)至少5%;并對(duì)于 至少一種發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件，當(dāng)將氣體燃料混合物引入燃燒室時(shí)，維持燃 料軌與峰值缸內(nèi)壓力比至少為1.5: 1。即，該氫氣可與氣體燃料混合 物分開(kāi)引入燃燒室，并構(gòu)成燃燒室內(nèi)氣體燃料混合物的一部分，或該方 法可包括將氫氣與包括甲烷的氣體燃料混合物預(yù)混合，并將該氣體燃料 混合物和氫氣直接引入燃燒室。在另一個(gè)實(shí)施例中，該方法可包括將氬 氣和進(jìn)氣預(yù)混合，并在活塞的進(jìn)氣沖程過(guò)程中將氫氣引入燃燒室，或者 將氫氣與氣體燃料混合物分開(kāi)直接引入燃燒室。
提供一種內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其可能以包括曱烷和在標(biāo)準(zhǔn)溫度及壓力下按 體積計(jì)5%到60%之間的氫氣的氣體燃料混合物作為燃料。所公開(kāi)的發(fā) 動(dòng)機(jī)包括由氣缸、氣缸蓋以及汽缸內(nèi)可移動(dòng)的活塞限定的燃燒室；具有 布置在燃燒室內(nèi)的噴嘴的燃料噴射閥，該燃料噴射閥可操作來(lái)將氣體燃 料混合物直接引入燃燒室；增壓設(shè)備和管路，其用于在至少一種發(fā)動(dòng)機(jī) 運(yùn)行條件下以燃料軌與峰值缸內(nèi)壓力比至少為1.5: 1直接將氣體燃料 混合物輸送到該噴射閥；以及電子控制器，其與燃料噴射閥的致動(dòng)器通 信以控制用于操作燃料噴射岡的定時(shí)。該發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)選具有至少為14的 壓縮比。
電子控制器優(yōu)選為可編程的以給將氣體燃料混合物引入燃燒室定 時(shí)，以使得綜合燃燒放熱的中間點(diǎn)可出現(xiàn)在上止點(diǎn)后2-30曲軸轉(zhuǎn)角度 數(shù)，而在另一個(gè)實(shí)施例中，在上止點(diǎn)后5-15曲軸轉(zhuǎn)角度數(shù)。
該燃料噴射閥可安裝在氣缸蓋內(nèi)，同時(shí)該燃料噴射閥包括布置在燃 燒室內(nèi)的噴嘴。該發(fā)動(dòng)機(jī)可進(jìn)一步包括可操作將引燃燃料直接引入燃燒 室的第二燃料噴射岡。該第二燃料噴射閥可被集成進(jìn)一個(gè)也包括引入氣 體燃料混合物的燃料噴射岡的閥組件。該第二燃料噴射閥和引入氣體燃 料混合物的燃料噴射閥優(yōu)選被獨(dú)立致動(dòng)，并且該氣體燃料混合物可通過(guò) 第 一組噴嘴口噴射進(jìn)燃料室，該第一組噴嘴口不同于通過(guò)其引燃燃料可 噴射進(jìn)燃料室的第二組噴嘴口 。
代替使用將引燃燃料引入以幫助氣體燃料混合物點(diǎn)火的第二燃料 噴嘴閥門(mén)，該發(fā)動(dòng)機(jī)可包括布置在燃燒室內(nèi)的點(diǎn)火塞，其可操作以幫助氣體燃料混合物的點(diǎn)火。該點(diǎn)火塞可以是預(yù)熱塞，該預(yù)熱塞可電加熱以 提供幫助氣體燃料混合物點(diǎn)火的熱表面，或該點(diǎn)火塞可以是火花塞。
該發(fā)動(dòng)機(jī)可進(jìn)一步包括用于存儲(chǔ)氣體燃料混合物的存儲(chǔ)容器，該氣 體燃料混合物是以預(yù)定比例的氬氣和曱烷組成的十分均勻的混合物。在 另一個(gè)實(shí)施例中，該發(fā)動(dòng)機(jī)可包括其中可存儲(chǔ)氫氣的第一存儲(chǔ)容器，其 中可存儲(chǔ)包括曱烷的氣體燃料的第二存儲(chǔ)容器，以及與該第 一和第二存 儲(chǔ)容器中每個(gè)都連接的閥，其可操作以控制引入到燃燒室的氣體燃料混 合物中氫氣和曱烷的各自比例。如果氫氣與包括曱烷的氣體燃料混合物 分開(kāi)存儲(chǔ)，那么電子控制器可以是可編程的，以響應(yīng)于檢測(cè)到的發(fā)動(dòng)機(jī) 運(yùn)行條件而將氣體燃料混合物中氫氣和曱烷的各自比例變到預(yù)定數(shù)量。
提供了內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的另一個(gè)實(shí)施例，該發(fā)動(dòng)機(jī)可以包括曱烷和氫氣 的氣體燃料混合物作為燃料。在該實(shí)施例中，該發(fā)動(dòng)機(jī)包括由氣缸、氣
缸蓋以及在氣缸內(nèi)可移動(dòng)的活塞限定的燃燒室；具有布置在燃燒室內(nèi)的 噴嘴的第一燃料噴射閥，其中該燃料噴射閥可操作以將曱烷引入燃燒 室；具有布置在進(jìn)氣歧管的噴嘴的第二燃料噴射閥，其中該第二燃料噴 射閥可操作以將氫氣引入從其中氫氣可流入燃燒室的進(jìn)氣歧管；以及電 子控制器，其與每個(gè)第一和第二燃料噴射閥的致動(dòng)器通信以控制操作第 一和第二燃料噴射閥的各自定時(shí)。在該實(shí)施例中，該發(fā)動(dòng)機(jī)可進(jìn)一步包 括增壓設(shè)備和管路，其在至少一種發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件下以燃料軌與峰值缸 內(nèi)壓力比至少為1.5: l將曱烷輸送到第一噴射閥。像其他實(shí)施例一樣， 該發(fā)動(dòng)才幾優(yōu)選具有至少為14: l的壓縮比，且高達(dá)25: 1的壓縮比以及 在兩者之間的壓縮比諸如18: 1、 20: 1和22: l都是可能的。


圖l是一個(gè)示意圖，示出了用于直接將氣體燃料混合物噴射進(jìn)內(nèi)燃 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的裝置。
圖2是一個(gè)示意圖，示出了用于直接將氣體燃料混合物噴射進(jìn)內(nèi)燃
發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的裝置的第二個(gè)實(shí)施例。
圖3示出四幅圖，這四幅圖繪出了發(fā)動(dòng)機(jī)排放與定時(shí)燃燒放熱中間 點(diǎn)之間的關(guān)系，該發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料分別為100%壓縮天然氣、10%氫氣和 90%壓縮天然氣的氣體燃料混合物以及23%氫氣和77%壓縮天然氣的氣體燃料混合物(所有的百分?jǐn)?shù)都是按體積測(cè)量)。該繪出的數(shù)據(jù)采集
自運(yùn)行在800RPM、 6巴GIMEP、 0. 5 cj) 、 40 %廢氣(以質(zhì)量計(jì))以及16MPa 燃料噴射壓力的發(fā)動(dòng)機(jī)。
圖4示出四幅圖，這四幅圖繪出了發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)與定時(shí)燃燒放熱 中間點(diǎn)之間的關(guān)系，該發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料分別為100%壓縮天然氣、10%氫 氣和90%壓縮天然氣的氣體燃料混合物以及23%氫氣和77%壓縮天然 氣的氣體燃料混合物(所有的百分?jǐn)?shù)都是按體積測(cè)量)。該發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn) 行條件與圖3中所繪制數(shù)據(jù)的運(yùn)行條件相同。
圖5示出兩幅柱形圖，這兩幅柱形圖繪出了發(fā)動(dòng)機(jī)的引燃燃料和氣 體燃料的點(diǎn)火延遲，該發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料分別為100%壓縮天然氣、10%氫 氣和90%壓縮天然氣的氣體燃料混合物以及23%氫氣和77%壓縮天然 氣的氣體燃料混合物(所有的百分?jǐn)?shù)都是按體積測(cè)量)。該發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn) 行條件與圖3和圖4中所繪制數(shù)據(jù)的運(yùn)行條件相同。
圖6示出發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)壓力和放熱率的圖，該發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料分別為 100%壓縮天然氣以及10%氫氣和90%壓縮天然氣的氣體燃料混合物 (氣體燃料混合物的百分?jǐn)?shù)按體積測(cè)量)，定時(shí)綜合燃燒放熱的中間點(diǎn) 出現(xiàn)在上止點(diǎn)后10曲軸轉(zhuǎn)角度數(shù)。該發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行條件與圖3至圖5 中所繪制數(shù)據(jù)的運(yùn)行條件相同。
圖7是發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)壓力和放熱率的圖，該發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料分別為 100%壓縮天然氣以及23%氫氣和77 0/。壓縮天然氣的氣體燃料混合物 (氣體燃料混合物的百分?jǐn)?shù)按體積測(cè)量)。在上方的兩幅圖中，定時(shí)綜 合放熱中間點(diǎn)出現(xiàn)在上止點(diǎn)后5曲軸轉(zhuǎn)角度數(shù)；在下兩幅圖中，定時(shí)綜 合放熱中間點(diǎn)出現(xiàn)在上止點(diǎn)后15曲軸轉(zhuǎn)角度數(shù)。該發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行條件 與圖3至圖6中所繪制數(shù)據(jù)的運(yùn)行條件相同。
圖8繪制出穩(wěn)定和調(diào)整定時(shí)條件下發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)壓力和放熱率的 圖，該發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料分別為100%壓縮天然氣，以及23%氫氣和77% 壓縮天然氣的氣體燃料混合物(氣體燃料混合物的百分?jǐn)?shù)按體積測(cè)量)。 該發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行條件同圖3至圖7中所繪制數(shù)據(jù)的運(yùn)行條件相同。
圖9是一個(gè)柱形圖，其繪制了曲軸轉(zhuǎn)角度數(shù)上的氣體燃料點(diǎn)火延遲 與定時(shí)綜合放熱中間點(diǎn)的關(guān)系，分別為100%壓縮天然氣，以及23%氫 氣和77%壓縮天然氣的氣體燃料混合物(氣體燃料混合物的百分?jǐn)?shù)按體積測(cè)量)。所繪制的數(shù)據(jù)示出當(dāng)與100%天然氣作燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)使用
相同定時(shí)噴射氣體燃料混合物時(shí)的氣體燃料點(diǎn)火延遲，以及當(dāng)該定時(shí)調(diào)
整時(shí)對(duì)于氣體燃料點(diǎn)火延遲的影響。該發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行條件與圖3至圖8 中繪制數(shù)據(jù)的運(yùn)行條件相同。
圖10繪制出發(fā)動(dòng)機(jī)排放與定時(shí)綜合放熱中間點(diǎn)的關(guān)系，其示出將 發(fā)動(dòng)機(jī)的噴射壓力從16MPa增加到20MPa的影響，該發(fā)動(dòng)機(jī)燃料分別為 100%壓縮天然氣，以及23%氫氣和77%壓縮天然氣的氣體燃料混合物 (氣體燃料混合物的百分?jǐn)?shù)按體積測(cè)量)。除了不同的燃料噴射壓力， 該發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行條件與圖3至圖9中所繪制數(shù)據(jù)的運(yùn)行條件相同。
圖11繪制出在燃料噴射壓力為16MPa和20MPa的情況下缸內(nèi)壓力 和放熱率與曲軸轉(zhuǎn)角度數(shù)的關(guān)系，該發(fā)動(dòng)機(jī)燃料分別為100%壓縮天然 氣，以及23%氫氣和77%壓縮天然氣的氣體燃料混合物(氣體燃料混 合物的百分?jǐn)?shù)按體積測(cè)量)。該發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行條件與圖3至圖9中所繪 制數(shù)據(jù)的運(yùn)行條件相同。
具體實(shí)施例方式
圖l是發(fā)動(dòng)機(jī)裝置IOO的示例圖，該發(fā)動(dòng)機(jī)裝置適于以包括曱烷和 氫氣的氣體燃料混合物作燃料。燃料存儲(chǔ)系統(tǒng)110包括存儲(chǔ)容器111， 其用于存儲(chǔ)壓縮的氣體燃料混合物。在示出的實(shí)施例中，預(yù)混合的氣體 燃料混合物可存儲(chǔ)在存儲(chǔ)容器111中，該存儲(chǔ)容器用來(lái)以預(yù)定的存儲(chǔ)壓 力存儲(chǔ)壓縮的氣體燃料混合物。根據(jù)本地規(guī)定來(lái)設(shè)計(jì)存儲(chǔ)容器111,該 本地規(guī)定可能詳細(xì)說(shuō)明為保證氣體燃料混合物甚至在發(fā)生撞擊的情況 下都不發(fā)生泄露的安全因素，例如，如果存儲(chǔ)容器lll是可能巻入車輛 碰撞的車用燃料罐。除了安全因素和設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求外，本地規(guī)定通常設(shè) 定最大存儲(chǔ)壓力。壓縮機(jī)112可操作以將氣體燃料混合物從存儲(chǔ)容器 111經(jīng)后冷卻器113和氣體燃料供應(yīng)軌116輸送到燃料噴射閥120。后
可以是熱交換器，其中冷卻液為轉(zhuǎn)移自發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)冷 卻劑。在優(yōu)選實(shí)施例中，該燃料供應(yīng)系統(tǒng)是共軌系統(tǒng)，意味著在噴射壓 力下將該氣體燃料傳輸?shù)饺剂蠂娚溟y組件120。在此共軌系統(tǒng)中，壓力 傳感器115可用來(lái)測(cè)量氣體燃料供應(yīng)軌116中的燃料壓力，從而壓縮機(jī)112可用來(lái)將氣體燃料噴射壓力維持在預(yù)定的低設(shè)定點(diǎn)(set point) 和高設(shè)定點(diǎn)之間。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，液體引燃燃料也被直接噴射進(jìn)入燃燒室122 以幫助點(diǎn)火氣體燃料混合物。在該實(shí)施例中，噴射閥組件120可包括能 夠獨(dú)立操作的兩個(gè)單獨(dú)的閥針，其中一個(gè)閥針控制噴射氣體燃料混合 物，第二個(gè)閥針控制噴射液體引燃燃料。引燃燃料可從引燃燃料軌118 輸送到燃料噴射閥組件120。引燃燃料可通過(guò)常規(guī)柴油機(jī)共軌燃料供應(yīng) 系統(tǒng)(未示出)在噴射壓力下輸送到引燃燃料軌118。
燃料噴射閥120將氣體燃料混合物直接引入燃燒室122,其通常由 設(shè)置在汽缸體124內(nèi)的缸孔、氣缸蓋，以及在缸孔內(nèi)可上下移動(dòng)的活塞 126所限定。從進(jìn)氣歧管130進(jìn)入燃燒室122的氣流由進(jìn)氣門(mén)132控制， 該進(jìn)氣門(mén)可在活塞126的進(jìn)氣沖程過(guò)程中打開(kāi)。像常規(guī)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)一 樣，所公開(kāi)的發(fā)動(dòng)機(jī)可使用渦輪增壓器(未示出)來(lái)增加進(jìn)氣壓力或該 發(fā)動(dòng)機(jī)可自然吸氣。燃燒產(chǎn)物可經(jīng)排氣門(mén)142從燃燒室122排出進(jìn)入排 氣歧管140,該排氣門(mén)在活塞126的排氣沖程過(guò)程中打開(kāi)。
電子控制器150可編程以控制壓縮機(jī)112和閥114的操作，從而來(lái) 控制氣體燃料供應(yīng)軌116中氣體燃料混合物的壓力?？刂破?50也可編 程以命令打開(kāi)和關(guān)閉燃料噴射閥針的正時(shí)，該燃料噴射閥針可分別控制 氣體燃料混合物和引燃燃料的噴射。例如，電子控制器150可編程以控 制引燃燃料噴射閥，這樣引燃燃料可在氣體燃料噴射閥被命令打開(kāi)前約 l毫秒內(nèi)被引入。另外，電子控制器150可編程以給打開(kāi)和關(guān)閉氣體燃 料噴射閥定時(shí)。該燃料噴射定時(shí)可預(yù)定以響應(yīng)由輸入到電子控制器150 的測(cè)量參數(shù)所確定的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件，并且這些參數(shù)的輸入由箭頭152 表示。
圖2是發(fā)動(dòng)機(jī)裝置的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的示意圖，該發(fā)動(dòng)機(jī)裝置可 以包括曱烷和氫氣的氣體燃料混合物作燃料。在該實(shí)施例中，燃料噴射
，、'S1 O O A 、l々々At JAt Jk1 .、曰人iU A_L :4t JAt小o a n :A A j=J 丄rt f #^ A - ， *I*J:
rwjv^^r^'i^;^^>rT"。^r>py 「貝巧、j 4/^^/ &王厶厶厶。j^^tt久^w"^、而t T7i 燃料，因?yàn)辄c(diǎn)火塞228提供點(diǎn)火幫助。點(diǎn)火塞228可以是適用于在發(fā)動(dòng) 機(jī)運(yùn)行過(guò)程中持續(xù)工作的電加熱式預(yù)熱塞。這不同于常規(guī)的預(yù)熱塞，后 者通常僅僅在一定發(fā)動(dòng)機(jī)條件下被激活，諸如當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體低于預(yù)定 溫度時(shí)的起動(dòng)。與以天然氣作燃料而沒(méi)有添加氫氣的發(fā)動(dòng)機(jī)相比，使用包括氫氣的氣體燃料混合物的優(yōu)點(diǎn)在于，因?yàn)闅錃馀c天然氣相比更容易 點(diǎn)火，預(yù)熱塞的溫度與幫助點(diǎn)火沒(méi)有混合氫氣的天然氣所需的溫度相比 可保持在較低溫度。這是有利的，因?yàn)榈皖A(yù)熱塞溫度通常與提高的耐用 性和更長(zhǎng)的使用壽命有關(guān)。在另一個(gè)實(shí)施例中(未示出)，點(diǎn)火塞可以
是火花塞o
在圖2示出的實(shí)施例中，除了使用點(diǎn)火塞228而非引燃燃料幫助開(kāi) 始燃料燃燒之外，示出的發(fā)動(dòng)機(jī)裝置基本相同。即，氣缸體224中的缸 孔、氣缸蓋225和在氣缸孔內(nèi)可上下移動(dòng)的活塞226共同限定了燃燒室 222?？諝饪稍谶M(jìn)氣門(mén)232打開(kāi)時(shí)經(jīng)進(jìn)氣歧管230流入燃燒室222，并
控制點(diǎn)火塞228的溫度。
圖2也示出了可選擇的第二燃料噴射岡240,其可用于噴射一些氣 體燃料進(jìn)入進(jìn)氣歧管。雖然示出了氣道燃料噴射閥，但單獨(dú)的燃料噴射 閥可進(jìn)一步布置在進(jìn)氣歧管上游以將氣體燃料引入所有燃燒室。第二燃 料噴射閥240可用于將氫氣與包括曱烷的諸如天然氣的氣體燃料混合 物分開(kāi)引入燃燒室。在這樣的實(shí)施例中，曱烷和氫氣在燃燒室內(nèi)混合， 但氫氣可更加均勻地分散在燃燒室內(nèi)。這種布局的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是氫氣不需 要壓縮到像直接噴射所需加壓的壓力一樣高。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是分開(kāi)噴射曱
垸和氫氣可使每種燃料的比例調(diào)整到適合不同的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件。然 而，該方法的一個(gè)缺點(diǎn)是第二燃料噴射閥增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)雜度、資金 和維護(hù)成本。
為確定一種操作直接噴射包括甲烷和氫氣的氣體燃料混合物的內(nèi) 燃機(jī)的理想方法，使用單缸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。該單缸發(fā)動(dòng)機(jī)是一種 Cummins ISX系列重型六缸四沖程的直噴柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，其,皮修改為僅 僅靠一個(gè)汽缸運(yùn)行。該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)一步適用于使用WestportTM燃料噴射和 燃料供應(yīng)系統(tǒng)來(lái)操作氣體燃料。該發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的孔徑為137毫米，活塞 沖程為169毫米，以及單汽缸的排氣量約為2. 5升。連桿的長(zhǎng)度為261 毫米，以及壓縮比為17: 1。
因?yàn)樵搶?shí)驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)為單缸發(fā)動(dòng)機(jī)，廢氣流的能量小得不能驅(qū)動(dòng)渦 輪增壓器以壓縮進(jìn)氣。為模擬渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的條件，在試驗(yàn)中提供了 氣壓縮機(jī)用于燃燒空氣供應(yīng)。該空氣壓縮機(jī)裝備有去除水蒸汽(露點(diǎn)
工- 40X:)的冷凍式空氣干燥器(refrigerated air dryer )和去除雜質(zhì) 的過(guò)濾器。EGR循環(huán)包括EGR冷卻器和可變流量控制閥。維持廢氣流的 壓力約比進(jìn)氣壓力大10kPa以驅(qū)動(dòng)廢氣的再循環(huán)。
燃料系統(tǒng)向發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部燃料軌提供氣體燃料和柴油。該燃料噴射 閥是兩用燃料噴射閥，其可操作來(lái)分開(kāi)獨(dú)立噴射作為主燃料的氣體燃料 混合物和作為引燃燃料的柴油燃料，主燃料和引燃燃料的流動(dòng)由兩個(gè)同 心閥針控制。分開(kāi)的電磁鐵驅(qū)動(dòng)的控制閥可操作來(lái)控制每個(gè)閥針的動(dòng)作 從而控制各自的引燃燃料和主燃料噴射事件的定時(shí)和持續(xù)時(shí)間。引燃燃 料噴射閥包括有7個(gè)口的噴嘴，氣體燃料噴射閥包括有9個(gè)口的噴嘴， 噴射角度為點(diǎn)火板(firedeck)下18度。在試驗(yàn)中采用兩種單獨(dú)的氣 體燃料源。商用天然氣(~96mol°/。CH4、 2%C2H6、微量N2、 C02、 CA總計(jì) <0. 5% )在外部壓縮并用作參考?xì)怏w。氫氣-曱烷混合的氣體燃料混 合物可分別購(gòu)買(mǎi)(核實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，分析準(zhǔn)確度±2%)，并通過(guò)單獨(dú)的壓縮 系統(tǒng)供給到發(fā)動(dòng)機(jī)。用作引燃燃料的是符合加拿大通用標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)規(guī)格 CAN/CGSB-3. 520的低硫(< 500ppm)道路等級(jí)柴油。
氣流的速率由科氏質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量(不確定度大約為滿量程的1 % )，其對(duì)流經(jīng)氣體的成份不敏感。柴油引燃流動(dòng)由不確定度約為滿量 程10%的重力測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量。空氣供應(yīng)由估計(jì)其不確定度為滿量程3 %的亞音速文氏管測(cè)量。氣缸壓力由不確定度為1%的埋入式安裝的水 冷壓電式壓力傳感器測(cè)量，并且由分辨率為1/2曲軸轉(zhuǎn)角度數(shù)(° CA) 的軸角編碼器(shaft encoder)將氣缸壓力與相關(guān)的曲軸轉(zhuǎn)角(CA )聯(lián) 系起來(lái)。使用裝備裝有紅外分析儀(C02 - Beckmann， CO和CH4-Siemens)、火焰電離電流計(jì)(總計(jì)未燃燒碳?xì)寤衔?tHC ) -Ratfisch ) 以及化學(xué)-發(fā)光分析儀(NOx-Advanced Pollution Instruments)的未 經(jīng)處理的廢氣試驗(yàn)臺(tái)架來(lái)測(cè)量氣體排放。第二紅外分析儀(California Analytical)用來(lái)測(cè)量進(jìn)氣流中0)2的濃度，才艮據(jù)該濃度確定EGR的比 例。冷水分離器用于去除非擴(kuò)散紅外儀器上游的水蒸汽(露點(diǎn)-5lC)。 對(duì)于氣體排氣樣本的可重復(fù)性研究已表明N0X的不確定性為5%, tHC和 CO的為10%,包括儀器的不確定性和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件的改變。使用微-稀釋系統(tǒng)來(lái)測(cè)量#:粒物質(zhì)，在該孩i -稀釋系統(tǒng)中將廢氣流的一部分分離 出來(lái)并以15:1的系數(shù)稀釋。然后使用顆粒物振蕩微量天平(taperedelement oscillating microbalance ) ("TE0M")， Rupprecht & Pataschnick型號(hào)1105，或者使用重量分析過(guò)濾器來(lái)測(cè)量該稀釋樣本中 載有的微粒。PallflexEmfabTM過(guò)濾器用來(lái)采集樣本，然后被稱重(準(zhǔn) 確度±5j*g)來(lái)計(jì)算廢氣流中的質(zhì)量濃度。發(fā)現(xiàn)TEOM的結(jié)果平均比重 量分析過(guò)濾器讀數(shù)低8%(相關(guān)系數(shù)0.96)。在本成果中使用TEOM結(jié)果 時(shí)，它們都被標(biāo)以標(biāo)題"TEOM PM"。
因?yàn)閱纹装l(fā)動(dòng)機(jī)的高內(nèi)部摩擦，制動(dòng)性能參數(shù)不代表缸內(nèi)的條 件。因此，基于總指示功率測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行，該總指示功率為僅在壓縮 和作功沖程上缸內(nèi)壓力與體積曲線的積分，正如J. B. Heywood在1988 年由紐約McGraw-Hill出版的"內(nèi)燃發(fā)動(dòng)才幾基本原理(Internal Combustion Engine Fundamentals )，，中所描述的。由發(fā)動(dòng)機(jī)速率和排 量歸一化的總指示功率，提供總指示平均有效壓力(GIMEP)。該指示 功率用于歸一化燃料消耗和排放測(cè)量。該總指示具體燃料消耗(GISFC ) 報(bào)道了總?cè)剂腺|(zhì)量流量，在氣體成份表示為能量基礎(chǔ)上等效的柴油質(zhì)量 (低熱值:柴油，42.8MJ/kg; NG， 48. 8 MJ/kg; 10 % H2, 50. 6MJ/kg; 23%H2， 52. 5MJ/kg)。
缸內(nèi)壓力微變(trace)也可用于估計(jì)凈放熱率，正如下指出的
其中e是曲軸轉(zhuǎn)角，p是在一定曲軸轉(zhuǎn)角下缸內(nèi)壓力，V是在那點(diǎn) 的氣缸容積，y是具體的熱率(c,Cv -假設(shè)為常數(shù))。該凈放熱率表示 從燃燒過(guò)程釋放的熱量減去壁的熱傳遞和裂縫流體損耗的速率。通過(guò)將 該放熱率積分到一個(gè)指定曲軸轉(zhuǎn)角并根據(jù)整個(gè)循環(huán)內(nèi)釋放的總能量歸 一化，可以確定在循環(huán)內(nèi)至該點(diǎn)所釋放的能量分?jǐn)?shù)。該曲線的中間點(diǎn)是 50%的綜合放熱(50%IHR),可用于限定燃燒定時(shí)。
發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行也可在等效比率基礎(chǔ)上確定(d):實(shí)際的燃料/氧化劑 與按化學(xué)計(jì)量的燃料/氧化劑之間的比率)。稀釋的進(jìn)氣量定義為進(jìn)入 氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(Yint。2)，該質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)于非稀釋空氣為0. 23并且隨稀 釋量的增加(即，增加的EGR)而減小。通過(guò)指定cj)、 50%IHR、 GIMEP、 發(fā)動(dòng)機(jī)速率和進(jìn)入氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，完全限定了發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行條件。
為測(cè)試包括曱烷和氫氣的氣體燃料混合物所選擇的試驗(yàn)測(cè)試條件 是基于減少燃料消耗同時(shí)增加運(yùn)行條件現(xiàn)實(shí)性的愿望。尤其是，與天然氣運(yùn)行相關(guān)的高排放的運(yùn)行條件對(duì)確定氫氣可如何有效地提高較差的
天然氣燃燒來(lái)說(shuō)是重要的。所選的運(yùn)行條件有如下特征高EGR分?jǐn)?shù)、 即質(zhì)量上為40%;進(jìn)入氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(Yint。2)為0. 175; 800RPM的發(fā) 動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；低負(fù)荷，即6巴的總指示平均有效壓力("GIMEP，，)；以及 0.5的適中4)(基于氧氣的)。進(jìn)行試驗(yàn)的燃料噴射壓力為16MPa和 20MPa。按體積計(jì)94%甲烷濃度的天然氣是氣體燃料混合物中甲烷的來(lái) 源，測(cè)試了按體積計(jì)分別為10%氫氣和23%氫氣的混合物。為確定在 一定條件范圍內(nèi)的影響(同時(shí)最小化運(yùn)行條件所需的變化)，使用了一 個(gè)燃燒定時(shí)范圍。通過(guò)改變?nèi)紵〞r(shí)，可在相同基準(zhǔn)(EGR、負(fù)荷、轉(zhuǎn) 速)條件下測(cè)試高度穩(wěn)定條件(早定時(shí))和非常不穩(wěn)定條件(晚定時(shí))。 為提高試驗(yàn)的精確度，決定使用成對(duì)的測(cè)試方法，在該測(cè)試方法中首先 使用天然氣測(cè)試一個(gè)單點(diǎn)，然后使用氣體燃料混合物測(cè)試(或以相反順 序)。通過(guò)固定運(yùn)行條件，然后改變定時(shí)，可最小化因運(yùn)行條件設(shè)定點(diǎn) 的不可重復(fù)性所造成的變化。定時(shí)設(shè)定的復(fù)制性用來(lái)建立重復(fù)性。大部 分測(cè)試以16MPa的燃料噴射壓力進(jìn)行，以確保所命令的噴射打開(kāi)持續(xù)時(shí) 期可重復(fù)(超過(guò)0.9ms)。因該壓力低于在其他氣體燃料直噴內(nèi)燃發(fā)動(dòng) 機(jī)通常所使用的壓力，例如以100%天然氣作燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)天然氣 和氣體燃料混合物都以20MPa進(jìn)行了一系列測(cè)試，以確保該傾向不受該 參數(shù)影響。
在圖3中示出在曱烷中混合10%和23% (體積計(jì))氬氣對(duì)排放的 影響。與僅使用天然氣作燃料的相同發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)相比，使用包括10% 氫氣的氣體燃料混合物的測(cè)試數(shù)據(jù)表明對(duì)于測(cè)試的噴射定時(shí)，測(cè)定的 排放基本相等或有所減少。例如，測(cè)定數(shù)據(jù)顯示，PM、 tHC和CO的排 放減少了約5%到10%。而且，值得說(shuō)明的是，在燃料中添加氫氣并未 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行或所測(cè)量的排放等級(jí)產(chǎn)生有害影響。也就是說(shuō)，添加氫 氣對(duì)于NOx的排放沒(méi)有重要影響。
應(yīng)注意，繪制數(shù)據(jù)上顯示的誤差柱形(bars)是基于長(zhǎng)期的不確定 性估值，包括分析儀敏感度和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件的變化。PM誤差是基于 比重計(jì)樣品計(jì)算的不確定度。
添加23%氫氣比添加10%氫氣對(duì)排放有更大影響。NOx排放輕微增 加但基本上未變化，然而CO、 tHC和C02 (未示出)的排放卻減少了。因?yàn)镻M測(cè)量上的不確定性，唯一觀測(cè)到的較大影響發(fā)生在最晚定時(shí)， 相比以100%天然氣或10%氳氣的氣體燃料混合物作燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)的 相同定時(shí)，含有23%112的燃料所檢測(cè)的PM大量減少。燃燒區(qū)中出現(xiàn)的 氫氣，可能因0H原子團(tuán)的濃度增加而影響污染物的排放。這種高活性 分子可提供未燃燒燃料和諸如C0和tHC的部分燃燒物質(zhì)更加快速的氧 化。也顯示出氫氣可有效減少因高湍流應(yīng)力率(turbulent strain-rates )導(dǎo)致的局部火焰熄滅，而i人為局部火焰熄滅的情況產(chǎn)生 大量的污染物排放。因?yàn)楦?H濃度導(dǎo)致快速-N0反應(yīng)的增加，N0x的排 放有可能因添加氫氣而輕微增加。也可能是因?yàn)樘砑託錃饪僧a(chǎn)生更高強(qiáng) 烈的燃燒。
所測(cè)量PM的低等級(jí)接近于儀器的測(cè)試限度。然而，在圖3中顯示 的結(jié)果示出，甚至對(duì)于僅含10%氫氣的氣體燃料混合物，也可始終觀 察到PM上的微小減少。對(duì)于含23%氫氣的氣體燃料混合物，在早噴射 定時(shí)可檢測(cè)到PM上的相同微小減少，但是當(dāng)噴射定時(shí)延遲時(shí)，可實(shí)現(xiàn) PM排放的更明顯減少。這是PM排放與在測(cè)試晚噴射定時(shí)時(shí)通常出現(xiàn)的 以及對(duì)以100%天然氣作燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)所預(yù)測(cè)的排放存在的較大區(qū)別。 這些結(jié)果表明，與僅使用曱烷或天然氣作燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)不同，通過(guò)使用 包括曱烷和至少23%氫氣的氣體燃料混合物，在低負(fù)荷、低速的發(fā)動(dòng) 機(jī)條件下，有可能延遲燃料噴射定時(shí)以實(shí)現(xiàn)N0x排放的顯著減少，而不 存在明顯增加PM排放的通常后果。
圖4中，在燃燒持續(xù)時(shí)間(10-90%的綜合放熱)、總指示具體燃 料消耗(GISFC)、峰值放熱率以及GIMEP的變化系數(shù)(C0V)方面將與 天然氣混合的10%和23%氫氣的影響與天然氣燃料情況進(jìn)行了比較。 該GISFC顯示出對(duì)定時(shí)或燃料組成沒(méi)有重大影響。對(duì)于氫燃料情況(尤 其是23%氫氣)的晚定時(shí)，燃燒持續(xù)時(shí)間明顯減少。有趣的是，對(duì)于 早定時(shí)在燃燒持續(xù)時(shí)間上沒(méi)有變化。這表明不同機(jī)制可能會(huì)限制在早定 時(shí)和晚定時(shí)的燃燒率，在晚定時(shí)存在化學(xué)運(yùn)動(dòng)限制，而相比于早定時(shí)則 存在混合限制條件。對(duì)于以包含按體積計(jì)23%氫氣的氣體燃料混合物 作燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)，峰值放熱率(大致相當(dāng)于從燃料釋放化學(xué)能量的最高 速率)比該發(fā)動(dòng)機(jī)使用100%天然氣作燃料時(shí)平均高大約20%。當(dāng)該發(fā) 動(dòng)機(jī)以僅包括10%氫氣的氣體燃料混合物作燃料時(shí)，該差別不太明顯，盡管在大多數(shù)定時(shí)的峰值放熱率有輕微增加。使用包括氫氣和曱烷的氣
體燃料混合物作燃料也顯著降低燃燒可變性(正如C0V GIMEP所測(cè)量 的)。對(duì)于包括10%氫氣的氣體燃料混合物，在晚燃燒定時(shí)可以觀測(cè) 到可變性上的顯著減少。對(duì)于包括23%氫氣的氣體燃料混合物，在所 有燃燒定時(shí)都可觀察到減少的可變性，盡管可變性上的減少對(duì)于晚燃燒 定時(shí)最大。燃燒可變性上的這種減少可歸因于添加氫氣導(dǎo)致火焰穩(wěn)定性 的增加，添加氫氣對(duì)觀察到的C0和tHC排放的減少有直接貢獻(xiàn)。
圖5示出了兩幅柱形圖，該柱形圖繪出對(duì)于使用不同氣體燃料混合 物作燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)的引燃燃料和氣體燃料點(diǎn)火延遲。同樣，數(shù)據(jù)采集自 以相同的試驗(yàn)測(cè)試條件運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)800RPM, 6巴GIMEP, 0. 5 4> ， 40 。/oEGR和16MPa的噴射壓力。正如在圖5中所示，對(duì)于試驗(yàn)測(cè)試條件， 向天然氣中添加氫氣對(duì)于引燃點(diǎn)火延遲沒(méi)有顯著影響。當(dāng)該發(fā)動(dòng)機(jī)以包 括10%氫氣和90%天然氣的氣體燃料混合物作燃料時(shí)，在氣體點(diǎn)火延 遲方面有輕微減少。當(dāng)該發(fā)動(dòng)機(jī)以包括23%氫氣的氣體燃料混合物作 燃料時(shí)，在氣體燃燒延遲方面觀察到平均20%的減少。這些延遲被定 義為在命令開(kāi)始噴射和所觀測(cè)到開(kāi)始燃燒之間的時(shí)間。正因如此，它們 包括噴射器內(nèi)的任何物理延遲，以及所噴射燃料的混合和化學(xué)延遲時(shí) 間。命令開(kāi)始噴射是已記錄的值，而開(kāi)始燃燒定時(shí)則根據(jù)檢測(cè)到的放熱
率確定。開(kāi)始引燃燃燒被認(rèn)為是能量釋放上的第一個(gè)明顯增加。這些圖 上的不確定度估計(jì)為士O. 5曲軸轉(zhuǎn)角度數(shù)(。CA)，代表曲軸轉(zhuǎn)角編碼器
的不確定度。開(kāi)始?xì)怏w燃燒位于觀測(cè)到放熱率迅速進(jìn)一步增加的點(diǎn)。圖 6的放熱圖中示出了這些位置的例子。
觀察到的較短氣體點(diǎn)火延遲時(shí)間與預(yù)混合和非預(yù)混合自動(dòng)點(diǎn)火的 曱烷測(cè)試相一致，其在1997年已被C. G. Fotache、 T. G. Kreutz和 C.K. Law發(fā)表在"燃燒和火焰"(Combustion and Flame)第110巻第 429 - 440頁(yè)的"使用加熱空氣點(diǎn)火富有氫氣的曱烷"所報(bào)道，該文示 出了添加氫氣可大大減少點(diǎn)火延遲時(shí)間。然而，F(xiàn)otache等人的論文并 不涉及由引燃火焰點(diǎn)火的非預(yù)混合的噴射流，因此與現(xiàn)在所公開(kāi)的方法 和裝置并不直接具有可比性。Fotache等人的論文表明甚至對(duì)于10%氫 氣，點(diǎn)火延遲仍發(fā)生明顯減少，與之相反，在圖5中所示出的該試驗(yàn)數(shù) 據(jù)表明對(duì)于所研究的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其使用引燃燃料幫助直接噴射的主燃料點(diǎn)火，在檢測(cè)到顯著效果之前需要更多數(shù)量的氫氣。因?yàn)槿紵^(guò)程是 復(fù)雜的，較短氣體點(diǎn)火延遲可對(duì)燃燒過(guò)程產(chǎn)生眾多影響。首先，可用于 混合的時(shí)間大大減少。雖然氫氣可因其高擴(kuò)散能力混合得較快些，但曱 烷的擴(kuò)散率則基本穩(wěn)定。這會(huì)導(dǎo)致在點(diǎn)火延遲時(shí)間內(nèi)較少的曱烷被過(guò)度
混合，從而造成tHC排放的減少。該較短點(diǎn)火延遲也可造成較少空氣在 預(yù)燃燒階段混合進(jìn)氣體射流，導(dǎo)致在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生較濃射流中心(jet core)。該較濃射流可導(dǎo)致煙粒形成的增加。PM的減少(其不像CO和 tHC的減少一樣多)可能是煙粒形成增加(由較濃非預(yù)混合的射流引起 的)和在OH原子團(tuán)過(guò)程中氧化增加的結(jié)果。
圖6示出，相比當(dāng)該發(fā)動(dòng)機(jī)以100%天然氣作燃料時(shí)，對(duì)于以包括 10%氫氣和90%天然氣的氣體燃料作燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)，沒(méi)有觀測(cè)到由壓 力微變和放熱率表示的缸內(nèi)條件存在顯著差別。在該例中，由601所示 的定時(shí)是當(dāng)引燃燃料噴射開(kāi)始時(shí)，而602顯示的是當(dāng)氣體燃料混合物噴 射開(kāi)始時(shí)的定時(shí)。在由603示出的定時(shí)發(fā)生的凈放熱率的第一次增加表 明引燃燃料的燃燒開(kāi)始，在由604示出的定時(shí)發(fā)生的凈放熱率的第二次 增加發(fā)生表明氣體燃料混合物的燃燒開(kāi)始。雖然，對(duì)于0、 5和15。ATDC 定時(shí)的壓力微變和放熱率并未示出，但在這些其他定時(shí)可觀測(cè)到相似的 結(jié)果。當(dāng)該發(fā)動(dòng)機(jī)以包括23%氫氣和77%天然氣的氣體燃料混合物作 燃料時(shí)，可觀測(cè)到對(duì)缸內(nèi)條件更顯著的影響。對(duì)于圖7中所繪出的數(shù)據(jù)， 為維持兩個(gè)所繪制的燃燒條件(100 %天然氣與包括23 %氫氣和77 %天 然氣的氣體燃料混合物)存在相同的燃燒定時(shí)，通過(guò)將正時(shí)噴射氣體燃 料混合物延遲約4曲軸轉(zhuǎn)角度數(shù)補(bǔ)償了較短點(diǎn)火延遲。圖7示出，對(duì)于 以包括氫氣和天然氣的氣體燃料混合物作燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)，放熱率根據(jù)燃 料組成和燃料噴射定時(shí)而變化。即，當(dāng)該發(fā)動(dòng)機(jī)以包括氫氣的氣體燃料 混合物作燃料時(shí)，在所有的燃燒定時(shí)其峰值放熱率都更高，且該峰值放 熱率隨氫氣在燃料混合物中比例的增加而增加。雖然在1纟。ATDC比早定 時(shí)的時(shí)候放熱率增加更多，但對(duì)于以包括氫氣的燃料混合物作燃料的發(fā) 動(dòng)機(jī)峰值放熱率更高一一這種影響十分一致。觀察到，對(duì)于天然氣以及 氫氣和曱烷的氣體燃料混合物，燃料噴射定時(shí)的影響是一致的，這是因 為延遲噴射定時(shí)導(dǎo)致放熱率減少。
對(duì)于大部分的測(cè)試，通過(guò)改變開(kāi)始噴射定時(shí)(引燃燃料和主燃料定時(shí)等量調(diào)整，因氣體和柴油噴射之間的相對(duì)延遲保持穩(wěn)定)使放熱中間
點(diǎn)(50%IHR)保持穩(wěn)定。因該技術(shù)最大化了燃燒定時(shí)的可比性，其造 成燃燒定時(shí)上的變化。為研究這一點(diǎn)，進(jìn)行試驗(yàn)以采集兩組數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā) 動(dòng)機(jī)以相同的開(kāi)始噴射定時(shí)(引燃燃料和氣體燃料)運(yùn)行時(shí)，從該發(fā)動(dòng) 機(jī)采集一組數(shù)據(jù)，此時(shí)該發(fā)動(dòng)機(jī)以100%天然氣作燃料，而非以包括23 %氫氣和77%天然氣的氣體燃料混合物作燃料。以相同燃料條件采集 第二組數(shù)據(jù)，但調(diào)整了開(kāi)始噴射定時(shí)以維持綜合放熱中間點(diǎn)的穩(wěn)定燃燒 定時(shí)。
這些定時(shí)調(diào)整對(duì)缸內(nèi)性能的影響在圖8中示出，其示出以下三種條 件的缸內(nèi)壓力和放熱率(1) 100%天然氣；(2)包括23%氫氣和77 %天然氣的氣體燃料混合物，使用與100%天然氣相同的定時(shí)；以及(3) 包括23%氫氣和77%天然氣的氣體燃料混合物，但調(diào)整了開(kāi)始噴射定 時(shí)以與100%天然氣保持相同的綜合放熱中間點(diǎn)(50%IHR)的定時(shí)。 對(duì)于以100%天然氣作燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)，以及對(duì)于以23 0/。氫氣作燃料但調(diào) 整開(kāi)始噴射定時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)，該數(shù)據(jù)是用于其中50。/。IHR被設(shè)置為上止點(diǎn) 后(。ATDC) 10度曲軸轉(zhuǎn)角的條件。雖然引燃開(kāi)始燃燒(通過(guò)放熱圖中 的第一次增加示出)對(duì)于三種條件都相當(dāng)穩(wěn)定，但向燃料中添加氫氣可 大大減少氣體點(diǎn)火的延遲時(shí)間，如更早的主燃燒事件所示出的。正如在 圖9中所示，在所有綜合放熱中間點(diǎn)的定時(shí)都觀測(cè)到相似的結(jié)果。當(dāng)發(fā) 動(dòng)機(jī)在固定和調(diào)整定時(shí)下以包括氫氣的氣體燃料混合物作燃料時(shí)，對(duì)于 該發(fā)動(dòng)機(jī)觀測(cè)到更短的氣體點(diǎn)火延遲。可以認(rèn)為，對(duì)于固定定時(shí)條件， 氣體點(diǎn)火延遲更短，這是因?yàn)樵擖c(diǎn)火在循環(huán)中發(fā)生得較早。對(duì)于所有穩(wěn) 定噴射定時(shí)情況，綜合放熱的中間點(diǎn)提前了約4曲軸轉(zhuǎn)角度數(shù)(。CA)。 對(duì)排放的影響(未示出)與提前定時(shí)約4 °CA的影響相一致。
用來(lái)采集大多數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的16MPa的噴射壓力，低于直接將諸如天 然氣的氣體燃料噴射進(jìn)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)通常所使 用的壓力。通常，認(rèn)為高噴射壓力是更理想的，19MPa和30MPa之間的 噴射壓力更常用。為測(cè)試噴射壓力對(duì)觀察結(jié)果的影響，一些試驗(yàn)以20MPa 的燃料噴射壓力反復(fù)進(jìn)行。雖然這仍然大大低于最高可達(dá)到的噴射壓 力，但是因缸內(nèi)壓力較低，它提供了一個(gè)合理的噴射軌/峰值缸壓比。 在最早燃燒定時(shí)(這時(shí)峰值缸壓最高)的最小燃料/缸壓比在20MPa時(shí)為2: 1,相比于16MPa噴射則為1.6: 1。對(duì)于晚燃燒定時(shí)，該比值增 加至3.3 (相比于16MPa時(shí)的2. 7)。因?yàn)樵趪娚淦陂g缸壓發(fā)生變化， 而從噴嘴流出的氣體壓力因噴射器體內(nèi)的流體損耗和噴嘴出口處的氣 體動(dòng)力大大低于軌壓，所以這些比值并不代表噴射器噴嘴的燃料與缸內(nèi) 條件之間的真實(shí)比值。然而，這些比值確實(shí)提供了一種表征噴射壓力影 響的方法，并提供一個(gè)基礎(chǔ)，用于在以100%天然氣作燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)和 以包括氫氣和曱烷的氣體燃料混合物作燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)之間比較這些影 響。
在圖10中示出了增加噴射壓力對(duì)排放的影響。較高噴射壓力傾向 于增加C0、 PM和tHC的排放，而NOx和GISFC則不受影響。可看出，該 結(jié)果對(duì)于天然氣燃料和氫氣-曱烷混合物燃料是一致的。在圖11中示 出了噴射壓力對(duì)于氣缸內(nèi)性能的較小影響，該圖繪出對(duì)于以包括按體積 計(jì)23%氫氣和77%天然氣的氣體燃料混合物作燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)在16和 20MPa的壓力跡和放熱率。令人吃驚的是，與以相同氣體燃料混合物作 燃料卻以較低壓力噴射的發(fā)動(dòng)機(jī)相比，較高噴射壓力導(dǎo)致PM、 tHC和 CO排放等級(jí)的輕微增加。然而，試驗(yàn)結(jié)果的確示出增加氬氣造成PM、 總碳?xì)浠衔?tHC)和一氧化碳(CO)排放的減少，而對(duì)于N0x的排 放沒(méi)有消極影響；并且該結(jié)果對(duì)于兩個(gè)噴射壓力通常都相一致。因此， 這些結(jié)果表明增加氫氣對(duì)一個(gè)燃料噴射壓力范圍內(nèi)的排放有積極影響。
根據(jù)所采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可確定某些趨勢(shì)，該趨勢(shì)涉及由燃料成分 和燃燒定時(shí)所引起的發(fā)動(dòng)機(jī)排放和燃燒穩(wěn)定性。也就是說(shuō)，這些趨勢(shì)可 從當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行不同氣體燃料混合物時(shí)所采集的數(shù)據(jù)中推斷出，該氣體 燃料混合物包括100%天然氣(和0%氫氣)，90%天然氣和10%氬氣， 以及77%天然氣和23%氫氣。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)以90%天然氣和10%氬氣作燃 料時(shí)，與當(dāng)相同的發(fā)動(dòng)機(jī)以100%天然氣作燃料時(shí)相比，觀測(cè)到燃燒穩(wěn) 定性有所提高，發(fā)動(dòng)機(jī)的排放基本相同或稍微減少。當(dāng)該相同發(fā)動(dòng)機(jī)以 77%天然氣和23%氫氣作燃料時(shí)，燃燒穩(wěn)定性有較大改善，并且發(fā)動(dòng) 機(jī)排放也有更大改善。雖然結(jié)果在圖中沒(méi)有示出，也同樣進(jìn)行了其中發(fā) 動(dòng)機(jī)以按體積計(jì)(在STP) 35%的氫氣作燃料的試驗(yàn)，并且在這樣高氫 氣百分?jǐn)?shù)下對(duì)排放的影響仍然有益。然而，氫氣與天然氣相比更難壓縮， 并且，對(duì)于相等能量值，與甲烷相比氫氣占用更多容積，這給較高氫氣百分比的氣體燃料混合物帶來(lái)容積流量的挑戰(zhàn)。根據(jù)所采集的試驗(yàn)數(shù) 據(jù)，從所進(jìn)行試驗(yàn)觀測(cè)到的排放等級(jí)，以及與在其他發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒氣體
燃料混合物相關(guān)的公知常識(shí)，可合理推斷出，與僅以100%天然氣作燃 料的發(fā)動(dòng)機(jī)相比，可使用包括按體積計(jì)濃度為5%到至少60%氬氣的氣 體燃料混合物實(shí)現(xiàn)改善燃燒穩(wěn)定性和改善發(fā)動(dòng)機(jī)排放。根據(jù)圖3和圖4 中所繪制觀測(cè)到的趨勢(shì)，高氫氣濃度可產(chǎn)生更好的燃燒穩(wěn)定性(降低的 燃燒可變性)和低排放，但是這些優(yōu)點(diǎn)可被其他諸如高氫氣百分比需要 增加容積流量需求或者成本或氫氣的可供給性等因素抵消。對(duì)于高百分 數(shù)的氫氣，氣體燃料混合物的性能也可改變，因?yàn)榕c天然氣相比，氫氣 有較低的潤(rùn)滑性。在一些情況下，優(yōu)選的氣體燃料混合物可在10%和 50%氫氣之間或者甚至更窄的范圍，諸如15%到40%之間的氫氣與天 然氣混合，或者20%到35%之間的氫氣與天然氣混合。通過(guò)具體例子， 氣體燃料混合物可包括曱烷和氫氣，以體積百分?jǐn)?shù)表示的氫氣容量為 12%、 14%、 16%、 18%、 20%、 22%、 23%、 24%、 25%、 26%、 28 %、 30%、 32%、 34%、 35%、 36%、 38%、 40%、 42%、 44%、 46 %、 48%、 50%中的一個(gè)以及它們之間的任何百分?jǐn)?shù)。
根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，也可確定涉及燃燒定時(shí)的趨勢(shì)。對(duì)于以包括氫氣和 曱烷的氣體燃料混合物作燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)，與以100%天然氣作燃料的相 同發(fā)動(dòng)機(jī)相比，燃燒穩(wěn)定性可在較寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于以包括10%氫 氣的氣體燃料混合物作燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)，可在綜合放熱中間點(diǎn)定時(shí)出現(xiàn)在 上止點(diǎn)后曲軸轉(zhuǎn)角10度以及更晚時(shí)觀測(cè)到該穩(wěn)定性的提高。對(duì)于以包 括23%氫氣的氣體燃料混合物作燃料的相同發(fā)動(dòng)機(jī)而言，燃燒穩(wěn)定性 的提高可在綜合放熱中間點(diǎn)出現(xiàn)在上止點(diǎn)后5度曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)盡早觀察 到，并對(duì)于更晚燃燒定時(shí)燃燒穩(wěn)定性的提高進(jìn)一步增加。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù) 可推導(dǎo)出，以包括甲烷和按體積計(jì)至少10%氫氣的氣體燃料混合物作 燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)，可等于或優(yōu)于以100%天然氣作燃料的相同發(fā)動(dòng)機(jī)的燃 燒穩(wěn)定性和排放。即使在一種發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件下采集了大部分?jǐn)?shù)據(jù)，因 所選的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件通常與高發(fā)動(dòng)機(jī)排放相關(guān)，因此預(yù)測(cè)當(dāng)該發(fā)動(dòng)機(jī) 在不同發(fā)動(dòng)機(jī)條件下運(yùn)行時(shí)，所測(cè)試的包括至少10%氫氣和大部分曱 烷的氣體燃料混合物可產(chǎn)生類似或更優(yōu)的排放和燃燒穩(wěn)定性。
總之，試驗(yàn)結(jié)果表明，與以100%天然氣作燃料的相同發(fā)動(dòng)機(jī)相比，可運(yùn)行直接噴射包括氫氣和曱烷的氣體燃料混合物的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)降
低排放并提高燃燒穩(wěn)定性。在圖4中GIMEP的變化系數(shù)與燃燒定時(shí)的關(guān) 系圖顯示出添加氫氣引起燃燒可變性的大量減少。該試驗(yàn)結(jié)果也表明， 雖然與該發(fā)動(dòng)機(jī)在相同條件下運(yùn)行但以100%天然氣作燃料相比，添加 氫氣可增加峰值燃燒放熱率，顯示更高的燃燒溫度，但添加氫氣并不導(dǎo) 致N0x排放水平的增加。該結(jié)果進(jìn)一步表明，與該發(fā)動(dòng)機(jī)以100%天然 氣作燃料相比，因PM排放在晚燃燒定時(shí)減少，添加氫氣可實(shí)現(xiàn)晚燃燒 定時(shí)。該試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，與以100%天然氣作燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)相同，對(duì)于 以包括曱烷和氫氣的氣體混合物作燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)，N0x的排放等級(jí)隨晚 燃燒定時(shí)增加而減少。雖然對(duì)于以100%天然氣作燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)于 晚燃燒定時(shí)PM排放的驟然增加確定了燃燒定時(shí)可以延遲的限度，但是 該試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于以包括氫氣和天然氣的氣體燃料混合物作燃料的 發(fā)動(dòng)機(jī)，晚燃燒定時(shí)是可能的，因?yàn)镻M排放隨著燃燒定時(shí)的延遲以相 對(duì)較小的斜率增加。另外發(fā)現(xiàn)，將其直接噴射進(jìn)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的包 括氫氣和甲烷的氣體燃料混合物的一個(gè)特點(diǎn)是，氣體燃料混合物與不添 加氫氣的天然氣相比以更短的點(diǎn)火延遲被點(diǎn)火。對(duì)于所測(cè)試的發(fā)動(dòng)機(jī)條 件，較短點(diǎn)火延遲導(dǎo)致提前了約4度曲軸轉(zhuǎn)角的燃燒定時(shí)，如果維持了 用于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的相同噴射定時(shí)，則這導(dǎo)致更高的峰值缸內(nèi)壓力和更 高的峰值放熱率。可以確定，能夠做出定時(shí)調(diào)整以使得燃燒特性匹配以 100 %天然氣作燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性。
雖然已示出并描述了本發(fā)明的具體元件、實(shí)施例和應(yīng)用，但應(yīng)理解， 本發(fā)明并不限于此，這是因?yàn)閷?duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可在不偏離本 公開(kāi)內(nèi)容的范圍內(nèi)，尤其是根據(jù)前述所教授的內(nèi)容對(duì)本發(fā)明做出修改。
權(quán)利要求
1. 一種運(yùn)行直噴內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，所述方法包括將氣體燃料混合物直接引入所述發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室，其中所述氣體燃料混合物包括甲烷和在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下按體積計(jì)5％到60％的氫氣，并且對(duì)于至少一種發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件，當(dāng)將該氣體燃料混合物引入所述燃燒室時(shí)，維持燃料軌與峰值缸內(nèi)壓力比為至少1.5∶1。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述氣體燃料混合物包括在 標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下按體積計(jì)10%到50%的氫氣。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述氣體燃料混合物包括在 標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下按體積計(jì)15%到40%的氫氣。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述氣體燃料混合物包括在 標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下按體積計(jì)20%到35%的氫氣。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述曱烷是天然氣的組成部分。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括預(yù)混合所述氣體燃料 混合物并將其以混合燃料存儲(chǔ)在從其中可將該混合燃料傳輸?shù)剿霭l(fā) 動(dòng)才幾的存儲(chǔ)罐內(nèi)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括控制燃料噴射定時(shí)， 從而使綜合放熱的中間點(diǎn)出現(xiàn)在上止點(diǎn)后2到30曲軸轉(zhuǎn)角度數(shù)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括控制燃料噴射定時(shí)， 從而在至少一種發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件下，綜合放熱的中間點(diǎn)出現(xiàn)在上止點(diǎn)后 5到15曲軸轉(zhuǎn)角度數(shù)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括在開(kāi)始噴射所述氣體燃料混合物之前大約1毫秒內(nèi)，直接將引燃燃料噴射進(jìn)所述燃燒室。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述引燃燃料是十六烷值在 40和70之間的液體燃料。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述液體燃料是柴油燃料。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行圖上，所述引 燃燃料在能量基礎(chǔ)上平均為所述發(fā)動(dòng)機(jī)消耗燃料的3%到10°/。。
13. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行圖上，所述引 燃燃料在能量基礎(chǔ)上平均為所述發(fā)動(dòng)機(jī)消耗燃料的4%到6%。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括在所述燃燒室內(nèi)加熱 一個(gè)熱表面以幫助點(diǎn)火所述氣體燃料混合物。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述熱表面由預(yù)熱塞提供， 并且所述方法進(jìn)一步包括電加熱所述預(yù)熱塞。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括火花點(diǎn)火所述燃燒室 內(nèi)的所述氣體燃料混合物。
17. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括將所述氫氣與所述曱 烷分開(kāi)存儲(chǔ)并將所述氫氣和所述曱烷混合以形成所述氣體燃料混合物。
18. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件 控制所述氣體燃料混合物中氫氣和曱烷的比例。
19. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括在所有發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條 件下，當(dāng)將所述氣體燃料混合物引入所述燃燒室時(shí)，維持燃料軌與峰值 缸內(nèi)壓力比為至少1. 5: 1。
20. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括在至少一種發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn) 行條件下，當(dāng)將所述氣體燃料混合物引入所述燃燒室時(shí)，維持燃料軌與 峰值缸內(nèi)壓力比為至少2: 1。
21. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括當(dāng)將所述氣體燃料混 合物引入所述燃燒室時(shí)，在燃料噴射閥的噴嘴口維持阻流狀態(tài)。
22. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括以至少16MPa (約 2350psia )的噴射壓力將所述氣體燃料混合物噴入所述燃燒室。
23. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括以至少20MPa (約 2900psia )的噴射壓力將所述氣體燃料混合物噴入所述燃燒室。
24. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在壓縮沖程過(guò)程中以至少約 14: 1的比率壓縮所述燃燒室內(nèi)的進(jìn)氣。
25. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下曱烷是 所述氣體燃料混合物按體積計(jì)的最大組份。
26. —種向內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)供給燃料的方法，所述方法包括 將氣體燃料混合物直接引入所述發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室，其中所述氣體燃料混合物包括曱烷，并且將氫氣引入所述燃燒室，從而向所述氣體燃料混合物中添加氫氣， 其中在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下所述氫氣表現(xiàn)為所述氣體燃料混合物按體積 計(jì)的5%到60%;并且在至少一種發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件下，當(dāng)將所述氣體燃料混合物引入所述 燃燒室時(shí)，維持氣體燃料混合物軌與峰值缸內(nèi)壓力比為至少1.5:1。
27. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，進(jìn)一步包括將所述氫氣同包括 曱烷的所述氣體燃料混合物預(yù)混合，并將所述氣體燃料混合物和所述氫氣直接引入所述燃燒室。
28. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，進(jìn)一步包括將所述氬氣和進(jìn)氣 預(yù)混合，并在所述活塞的進(jìn)氣沖程將所述氫氣引入所述燃燒室。
29. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，進(jìn)一步包括將所述氬氣與所述 氣體燃料混合物分開(kāi)直接引入所述燃燒室。
30. —種以包括曱烷和在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下按體積計(jì)5%到60o/o 氫氣的氣體燃料混合物作燃料的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，所述發(fā)動(dòng)機(jī)包括由氣缸、氣缸蓋，以及在所述氣缸內(nèi)可移動(dòng)的活塞限定的燃燒室； 具有布置在所述燃燒室內(nèi)的噴嘴的燃料噴射閥，所述燃料噴射閥可 操作以將所述氣體燃料混合物直接引入所述燃燒室；增壓設(shè)備和管路，用于在至少一種發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件下，以至少1.5:閥；并且電子控制器，其與所述燃料噴射閥的致動(dòng)器通信以控制用于操作所 述燃料噴射閥的定時(shí)。
31. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述發(fā)動(dòng)機(jī)具有至少14 的壓縮比。
32. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述電子控制器可編程， 以定時(shí)所述氣體燃料混合物至所述燃燒室的引入，使得綜合燃燒放熱的 中間點(diǎn)出現(xiàn)在上止點(diǎn)后2到30的曲軸轉(zhuǎn)角度數(shù)。
33. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述電子控制器可編程， 以定時(shí)所述氣體燃料混合物至所述燃燒室的引入，使得綜合燃燒放熱的 中間點(diǎn)出現(xiàn)在上止點(diǎn)后5到15的曲軸轉(zhuǎn)角度數(shù)。
34. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述燃料噴射閥安裝在所述汽缸蓋內(nèi)，同時(shí)所述燃料噴射閥包括布置在所述燃燒室內(nèi)的噴嘴。
35. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)一步包括第二燃料噴射閥， 其可操作以將引燃燃料直接引入所述燃燒室。
36. 根據(jù)權(quán)利要求35所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述第二燃料噴射閥被 集成進(jìn)閥組件，該組件還包括用于引入所述氣體燃料混合物的所述燃料 噴射閥。
37. 根據(jù)權(quán)利要求36所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述第二燃料噴射閥和 用于引入所述氣體燃料混合物的所述燃料噴射閥可獨(dú)立致動(dòng)，并且所述 氣體燃料混合物可通過(guò)第一組噴嘴口噴射進(jìn)所述燃燒室，該第一組噴嘴 口不同于通過(guò)其將所述引燃燃料噴射進(jìn)所述燃燒室的第二組噴嘴口。
38. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)一步包括布置在所述燃燒 室內(nèi)的點(diǎn)火塞，其可操作以幫助氣體燃料混合物的點(diǎn)火。
39. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述點(diǎn)火塞是預(yù)熱塞， 該預(yù)熱塞可電加熱以提供用于幫助所述氣體燃料混合物點(diǎn)火的熱表面。
40. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述點(diǎn)火塞是火花塞。
41. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)一步包括用于存儲(chǔ)所述氣 體燃料混合物的存儲(chǔ)容器，該氣體燃料混合物是充分均質(zhì)的混合物且具 有預(yù)定的氫氣和曱烷比例。
42. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)一步包括在其中可存儲(chǔ)所 述氫氣的第一存儲(chǔ)容器，在其中可存儲(chǔ)包括曱烷的氣體燃料的第二存儲(chǔ) 容器，以及與每個(gè)所述第一和第二存儲(chǔ)容器相連的閥，該閥可操作以控 制引入所述燃燒室的所述氣體燃料混合物中的氫氣和曱烷各自的比例。
43. 根據(jù)權(quán)利要求42所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述電子控制器可編程， 以響應(yīng)于所檢測(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件而將所述氣體燃料混合物中氬氣和 曱烷各自的比例改變到預(yù)定數(shù)量。
44. 一種以包括甲烷和氫氣的氣體燃料混合物作燃料的內(nèi)燃發(fā)動(dòng) 機(jī)，所述發(fā)動(dòng)機(jī)包括由氣缸、氣缸蓋以及在所述氣缸內(nèi)可移動(dòng)的活塞限定的燃燒室；具有布置在所述燃燒室內(nèi)的噴嘴的第一燃料噴射閥，其中所述燃料 噴射閥可操作以將甲烷直接引入所述燃燒室；具有布置在進(jìn)氣歧管內(nèi)的噴嘴的第二燃料噴射閥，其中所述第二燃 料噴射閥可操作以將氫氣引入所述進(jìn)氣歧管，通過(guò)該進(jìn)氣歧管所述氫氣 可流入所述燃燒室；并且電子控制器，其與用于每個(gè)所述第一和第二燃料噴射閥的致動(dòng)器通 信，并用于控制操作所述第一和第二燃料噴射閥的各自定時(shí)。
45. 根據(jù)權(quán)利要求44所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)一步包括增壓設(shè)備和管路， 其在至少一種發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件下，以至少1.5: 1的燃料軌與峰值缸內(nèi) 壓力比將所述曱烷輸送到所述第一噴射閥。
46. 根據(jù)權(quán)利要求44所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述發(fā)動(dòng)機(jī)具有至少14 的壓縮比。
全文摘要
提供了一種氣體燃料的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)和一種運(yùn)行該發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，該發(fā)動(dòng)機(jī)和方法用于提高燃燒穩(wěn)定性和減少NO_x、PM和未燃燒碳?xì)浠衔锏呐欧拧Ｔ摲椒òü┙o氫氣和天然氣作內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料，該氫氣和天然氣可共同直接噴射進(jìn)燃燒室或者分開(kāi)引入。傳輸?shù)皆摪l(fā)動(dòng)機(jī)的總氣體燃料中，在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下按體積計(jì)至少5％為氫氣。對(duì)于至少一種發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件，燃料軌壓力與峰值缸內(nèi)壓力的比率為至少1.5∶1。該發(fā)動(dòng)機(jī)包括由氣缸、氣缸蓋、以及氣缸內(nèi)可移動(dòng)的活塞限定的燃燒室；以及一個(gè)燃料噴射閥，其可操作以將氣體燃料混合物直接引入該燃燒室，或者兩個(gè)分開(kāi)的燃料噴射閥，其可操作以分開(kāi)引入甲烷和氫氣。電子控制器與燃料噴射閥的致動(dòng)器通信以控制操作燃料噴射閥的定時(shí)。該發(fā)動(dòng)機(jī)具有至少14∶1的壓縮比。
文檔編號(hào)F02M21/02GK101421500SQ200780011798
公開(kāi)日2009年4月29日 申請(qǐng)日期2007年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月31日
發(fā)明者G·P·麥克塔格特-科萬(wàn), S·N·羅加克, S·芒希, W·K·布希 申請(qǐng)人:西港能源有限公司;英屬哥倫比亞大學(xué)