专利名称：向内燃发动机供给氢气和甲烷作燃料的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种向狄塞尔循环内燃发动机供给氢气和曱烷作燃料
从而提高燃烧稳定性并减少氮氧化物(N0x)、未燃烧碳氢化合物和颗 粒物质(PM)排放的方法和装置。
背景技术：
因为诸如天然气、丙烷、氢气及其混合物的气体燃料与诸如柴油的 液体燃料相比是更加清洁的燃料，当前的注意力已转向研发能够在匹配 发动机操作者常常期望从柴油发动机得到的功率和性能的同时燃烧此 类气体燃料的发动机。
使用稀燃火花点火(LBSI)的以天然气作燃料的发动机用相对较低
的压力将燃料引入进气歧管或进气口。为避免由燃烧室内燃料的过早爆 燃引起的发动机爆震，这样的发动机通常以不高于约12: l的压缩比运 行，该压缩比相比于压缩比至少为14: 1的狄塞尔循环发动机较低，并 且这影响了发动机的性能和效率。因此，虽然从LBSI发动机的燃烧室 排出的废气与相等尺寸的柴油发动机相比可以有较低的N0x和PM排放， 但是这样的LBSI发动机也具有较低性能和能量效率，这意味着为了 做同样数量的功，在能量基础上却消耗了更多燃料，并且为了匹配柴油 发动机的满量程功率和性能，需要更大的LBSI发动机。
最近，研究已转向将天然气和氢气混合以用于均质火花点火的发动 机。涉及这类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年由美国汽车工程师协 会("SAE")出版的SAE技术论文932775 "添加氢气对天然气发动机 运行的影响"(The Effects of Hydrogen Addition On Natural Gas Engine Operation) ^ 由Sierens和E. Rousseel于2000年发表 在ASME Journal of Engineering for Gas Turbines and Power第122 巻第135 — 140页的"可变组分的氢气/天然气混合物以增加发动机效率 和减少排放，，(Variable Composition Hydrogen/Natural Gas Mixtruesfor Increased Engine Efficiency and Decreased Emissions ); 由 S. R. Munshi、 C. Nedelcu、 J. Harris等人在2004年发表的SAE技术论 文2004- 01-2956 "重型涡轮增压稀燃火花点火发动机的氢气混合天然 气运行，，(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年发表在机械 工程师协会学报Part D第215巻第405-418页的"氢富集 一种在具 有废气循环的以天然气作燃料的发动机中维持燃烧稳定性的方法，燃料 转换的潜力"(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年发表的SAE技术论文 2005-010235 "关于新研制的专用富集氢天然气重型发动机的排放效果"
(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年发表在ASME Journal of Engineering for Gas Turbines and Power的第119巻第218-226页的"使用涡轮增压 稀燃天然气与以氢气曱烷作燃料的发动机的排放和效率的比较"
(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年发表在国际氢气能源杂志第26巻第55-70 页上的"向以甲烷作燃料的汽车添加氢气对其性能的影响.第一部分 对S丄发动机性能的影响，'(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年发表在国际氢气能源杂志第7期第21巻第625 - 631页上的
"以曱烷 - 氢气混合物作燃料"(Methane-Hydrogen Mixtures as Fuels )以及由S. 0. Akansu、 Z. Dulger、 N. Kahraman和T. Veziroglu 于2004年发表在国际氢气能源杂志第29巻上1527 - 1539页的"以天 然气-氢气混合物作燃料的内燃发动机"(Internal Combustion Engines Fuelled by Natural Gas-Hydrogen Mixtures)。在这些论文中所发表的结果表明，在按化学计量的操作中，添加氢气会降低功率密
度并在轻微减少碳氢化合物和一氧化碳的排放同时增加N0x。更有意义 的效果发表在稀燃预混合条件下，这时观察到稀释极限的显著添加。这 归因于改善的燃烧率和更短的点火延迟。对于指定的空-燃比，添加氬 气时因更高的火焰温度N0x的排放更高，而C0和未燃烧碳氢化合物则显 著减少。然而，因为氢气具有扩展稀释极限的能力，可通过添加氲气在 更稀空燃比下运行来实现低NOx排放。也提高了存在废气循环(ERG)时 的火焰稳定性。效率影响可能依赖于所测试的运行条件，如在Swain、 Sierens和Akansu的论文中所才艮道的一些研究显示因添加氢气提高了 效率，以及如Larsen和Bauer的论文中所报道的其他研究显示降低了 效率。这种相反的结果表明虽然已经进行了相当数量的研究来调查混 合天然气和氢气用于均质火花点火发动机的效果，但燃烧过程是复杂 的；在发动机中燃烧此类燃料混合物可能非常取决于该发动机的运行条 件；并且添加氢气的效果以及此类效果的大小(如果有的话)是非显而 易见的或不容易预计的。而且，在本说明书中引用的所有发表论文都涉 及均质火花点火发动机；尽管报道了一些诸如减震管(shock tube )研 究和非预混合对流曱烷/加热空气喷射实验的实验室实验，但发明者并 没有发现任何关于这样一类实验的出版物，该实验涉及给直喷内燃发动 机加包括甲烷和氢气的混合燃料混合物。
目前正在研发能够将气体燃料直接喷射进高压缩内燃发动机的燃 烧室的发动机，但在商业上还不可用。使用这种方法的以天然气作燃料 的发动机可基本上达到柴油发动机的功率、性能和效率特征，并具有较 低的N0x、未燃烧碳氢化合物以及PM的排放。N0x在光化学烟雾的形成 中是关键成份，并且其是形成酸雨的罪魁祸首。PM排放，除其他有害 健康的影响外，还与增加的心血管死亡率和儿童中肺发育缺损 (impaired lung development)有关联。然而，对于以天然气作燃料 的直喷发动机，已发现在NOx排放和未燃烧碳氢化合物以及PM的排放之 间存在着平衡。即，喷射天然气的晚定时有利于降低N0x，但却导致更 高的未燃烧碳氢化合物和PM的排放。北美和世界各地的环境管理机构 都已经立法要大量减少内燃机中N0x和PM的排放。因此，因为必须减少 N0x、 PM和未燃烧碳氢化合物中每一类的排放，所以对于以天然气作燃料的直喷发动机，与晚燃烧定时有关的更高PM排放实际上限制了燃料 喷射定时可延迟的程度。
因为所发表的技术论文已经报道，在特定运行条件下以包括曱烷和 氢气的气体燃料混合物作为均质火花点火的发动机的燃料会产生益处， 并且因为环境管理机构已经立法要大量减少内燃发动机中N0x和PM的 排放，以及因为燃烧过程复杂且向输送至直接喷射式内燃发动机的燃料 混合物中添加氢气的效果是不可预知的，所以需要确定是否能够通过以 氢气和天然气作为直喷内燃发动机的燃料来提高燃烧稳定性并降低发 动机排放，并且如果可以，需要确定运行使用该种燃料从而达到提高燃 烧稳定性和降低发动机排放的直喷发动机的方法。
发明内容
本发明提供了一种运行直喷内燃发动机的方法。该方法包括向发动 机的燃烧室直接引入一种气体燃料混合物。该气体燃料混合物包括甲烷 和在标准温度和压力下按体积计5%到60%的氢气。对于至少一种发动 机运行条件，该方法包括当向燃烧室引入该气体燃料混合物时，维持燃 料轨与峰值(fuel rail to peak)缸内压力比至少为1.5: 1。该方法 的一个优选实施例包括对于所有发动机运行条件，当向燃烧室引入气体 燃料混合物时，维持燃料轨与峰值缸内压力比至少为1.5: 1。当该气 体燃料混合物的组成成份在这里用体积百分数描述时，除非另有说明， 这定义为标准温度和压力(STP)下的百分数。
在优选方法中，该气体燃料混合物可包括在标准温度和压力下按体 积计10% -50%、 15% - 40%的氢气，或按体积计20% -35%的氬气。 曱烷可以是天然气的组成成份。该方法可进一步包括预混合该气体燃料 混合物并将其作为混合燃料存储在储气罐中，从该储气罐可将其传输到 发动机。在优选方法中，曱烷是在标准温度和压力下气体燃料混合物按 体积计的最大组分。
该方法可进一步包括控制燃料喷射定时，这样综合燃烧放热的中间 点可出现在上止点后2 - 30曲轴转角度数。向天然气中添加氢气的一个 优点在于相比仅以天然气作燃料的发动机，其燃烧定时可延迟至燃烧周 期中的更晚时间。 一种优选方法包括控制燃料喷射定时，这样在至少一个发动机运行条件，综合燃烧放热的中间点出现在上止点后5-15曲轴 转角度数。
该方法可包括引入引燃燃料以帮助该气体燃料混合物的点火。 一个 优选方法包括在开始喷射该气体燃料混合物之前约1毫秒内直接将引 燃燃料喷入燃烧室。该引燃燃料可以是一种十六烷值在40到70之间的 液体燃料。在多数情况下，十六烷值在40到50之间的液体燃料是优选 的，常规道路级别的柴油便是一种十六烷值在该范围内的合适燃料。在 发动机运行图上，在能量基础上该引燃燃料平均是发动机所消耗燃料的 3%到10%,更多是4%到6%。与气体燃料混合物相比，该引燃燃料 更容易点火，并且首先将该引燃燃料点火从而引起气体燃料混合物的点 火。因为气体燃料混合物是优选比引燃燃料更清洁的燃烧器，所以在能 量基础上该引燃燃料优选仅表现为发动机所消耗的燃料的一小部分。
代替使用引燃燃料，该方法可包括加热燃烧室的内表面以帮助点燃 气体燃料混合物。在一个优选方法中，该热表面通过预热塞提供，并且 该方法进一步包括电加热预热塞。然而在另一个实施例中，该方法可包 括火花点火燃烧室内的气体燃料混合物。
该方法可进一步包括与曱烷分开存储氢气并将氢气和曱烷混合形 成气体燃料混合物。该方法可进一步包括根据发动机运行条件控制气体 燃料混合物中氩气和曱烷的比例。
该方法可进一步包括在至少一种发动机运行条件下，当将气体燃料 混合物引入燃烧室时，维持燃料轨与峰值缸内压力比至少为2: 1。优 选方法包括当将气体燃料混合物引入燃烧室时，在燃料喷射岡的喷嘴口 处维持阻流状态。尽管实验已经证明通过以至少16MPa (约2350psia) 的喷射压力向燃烧室喷射气体燃料混合物可以实现发动机的满意运行， 但是至少为20MPa (约2900psia)的更高燃料喷射压力是更加优选的。
根据该方法，在压缩冲程过程中，燃烧室内的进气被以至少约14: l的比例压缩。高于14: 1的压缩比与狄塞尔循环发动机相关，狄塞尔 循环发动机可比常规奥托循环发动机产生更高性能和效率，奥托循环发 动机也称作火花点火发动机并使用预混合均质气体，该均质气体将奥托 循环发动机限制到较低压缩比以避免发动机爆震。
在另一个向内燃发动机供给燃料的优选方法中，该方法包括将气体燃料混合物直接引入该发动机的燃烧室，其中该气体燃料混合物包括
曱烷；将氢气引入燃烧室从而向气体燃料混合物中添加氢气，其中氢气 表现为在标准温度和压力下气体燃料混合物按体积计至少5%;并对于 至少一种发动机运行条件，当将气体燃料混合物引入燃烧室时，维持燃 料轨与峰值缸内压力比至少为1.5: 1。即，该氢气可与气体燃料混合 物分开引入燃烧室，并构成燃烧室内气体燃料混合物的一部分，或该方 法可包括将氢气与包括甲烷的气体燃料混合物预混合，并将该气体燃料 混合物和氢气直接引入燃烧室。在另一个实施例中，该方法可包括将氬 气和进气预混合，并在活塞的进气沖程过程中将氢气引入燃烧室，或者 将氢气与气体燃料混合物分开直接引入燃烧室。
提供一种内燃发动机，其可能以包括曱烷和在标准温度及压力下按 体积计5%到60%之间的氢气的气体燃料混合物作为燃料。所公开的发 动机包括由气缸、气缸盖以及汽缸内可移动的活塞限定的燃烧室；具有 布置在燃烧室内的喷嘴的燃料喷射阀，该燃料喷射阀可操作来将气体燃 料混合物直接引入燃烧室；增压设备和管路，其用于在至少一种发动机 运行条件下以燃料轨与峰值缸内压力比至少为1.5: 1直接将气体燃料 混合物输送到该喷射阀；以及电子控制器，其与燃料喷射阀的致动器通 信以控制用于操作燃料喷射岡的定时。该发动机优选具有至少为14的 压缩比。
电子控制器优选为可编程的以给将气体燃料混合物引入燃烧室定 时，以使得综合燃烧放热的中间点可出现在上止点后2-30曲轴转角度 数，而在另一个实施例中，在上止点后5-15曲轴转角度数。
该燃料喷射阀可安装在气缸盖内，同时该燃料喷射阀包括布置在燃 烧室内的喷嘴。该发动机可进一步包括可操作将引燃燃料直接引入燃烧 室的第二燃料喷射岡。该第二燃料喷射阀可被集成进一个也包括引入气 体燃料混合物的燃料喷射岡的阀组件。该第二燃料喷射阀和引入气体燃 料混合物的燃料喷射阀优选被独立致动，并且该气体燃料混合物可通过 第 一组喷嘴口喷射进燃料室，该第一组喷嘴口不同于通过其引燃燃料可 喷射进燃料室的第二组喷嘴口 。
代替使用将引燃燃料引入以帮助气体燃料混合物点火的第二燃料 喷嘴阀门，该发动机可包括布置在燃烧室内的点火塞，其可操作以帮助气体燃料混合物的点火。该点火塞可以是预热塞，该预热塞可电加热以 提供帮助气体燃料混合物点火的热表面，或该点火塞可以是火花塞。
该发动机可进一步包括用于存储气体燃料混合物的存储容器，该气 体燃料混合物是以预定比例的氩气和曱烷组成的十分均勻的混合物。在 另一个实施例中，该发动机可包括其中可存储氢气的第一存储容器，其 中可存储包括曱烷的气体燃料的第二存储容器，以及与该第 一和第二存 储容器中每个都连接的阀，其可操作以控制引入到燃烧室的气体燃料混 合物中氢气和曱烷的各自比例。如果氢气与包括曱烷的气体燃料混合物 分开存储，那么电子控制器可以是可编程的，以响应于检测到的发动机 运行条件而将气体燃料混合物中氢气和曱烷的各自比例变到预定数量。
提供了内燃发动机的另一个实施例，该发动机可以包括曱烷和氢气 的气体燃料混合物作为燃料。在该实施例中，该发动机包括由气缸、气
缸盖以及在气缸内可移动的活塞限定的燃烧室；具有布置在燃烧室内的 喷嘴的第一燃料喷射阀，其中该燃料喷射阀可操作以将曱烷引入燃烧 室；具有布置在进气歧管的喷嘴的第二燃料喷射阀，其中该第二燃料喷 射阀可操作以将氢气引入从其中氢气可流入燃烧室的进气歧管；以及电 子控制器，其与每个第一和第二燃料喷射阀的致动器通信以控制操作第 一和第二燃料喷射阀的各自定时。在该实施例中，该发动机可进一步包 括增压设备和管路，其在至少一种发动机运行条件下以燃料轨与峰值缸 内压力比至少为1.5: l将曱烷输送到第一喷射阀。像其他实施例一样， 该发动才几优选具有至少为14: l的压缩比，且高达25: 1的压缩比以及 在两者之间的压缩比诸如18: 1、 20: 1和22: l都是可能的。
图l是一个示意图，示出了用于直接将气体燃料混合物喷射进内燃 发动机燃烧室的装置。
图2是一个示意图，示出了用于直接将气体燃料混合物喷射进内燃
发动机燃烧室的装置的第二个实施例。
图3示出四幅图，这四幅图绘出了发动机排放与定时燃烧放热中间 点之间的关系，该发动机的燃料分别为100%压缩天然气、10%氢气和 90%压缩天然气的气体燃料混合物以及23%氢气和77%压缩天然气的气体燃料混合物(所有的百分数都是按体积测量)。该绘出的数据采集
自运行在800RPM、 6巴GIMEP、 0. 5 cj) 、 40 %废气(以质量计)以及16MPa 燃料喷射压力的发动机。
图4示出四幅图，这四幅图绘出了发动机性能参数与定时燃烧放热 中间点之间的关系，该发动机的燃料分别为100%压缩天然气、10%氢 气和90%压缩天然气的气体燃料混合物以及23%氢气和77%压缩天然 气的气体燃料混合物(所有的百分数都是按体积测量)。该发动机的运 行条件与图3中所绘制数据的运行条件相同。
图5示出两幅柱形图，这两幅柱形图绘出了发动机的引燃燃料和气 体燃料的点火延迟，该发动机的燃料分别为100%压缩天然气、10%氢 气和90%压缩天然气的气体燃料混合物以及23%氢气和77%压缩天然 气的气体燃料混合物(所有的百分数都是按体积测量)。该发动机的运 行条件与图3和图4中所绘制数据的运行条件相同。
图6示出发动机的缸内压力和放热率的图，该发动机的燃料分别为 100%压缩天然气以及10%氢气和90%压缩天然气的气体燃料混合物 (气体燃料混合物的百分数按体积测量)，定时综合燃烧放热的中间点 出现在上止点后10曲轴转角度数。该发动机的运行条件与图3至图5 中所绘制数据的运行条件相同。
图7是发动机的缸内压力和放热率的图，该发动机的燃料分别为 100%压缩天然气以及23%氢气和77 0/。压缩天然气的气体燃料混合物 (气体燃料混合物的百分数按体积测量)。在上方的两幅图中，定时综 合放热中间点出现在上止点后5曲轴转角度数；在下两幅图中，定时综 合放热中间点出现在上止点后15曲轴转角度数。该发动机的运行条件 与图3至图6中所绘制数据的运行条件相同。
图8绘制出稳定和调整定时条件下发动机的缸内压力和放热率的 图，该发动机的燃料分别为100%压缩天然气，以及23%氢气和77% 压缩天然气的气体燃料混合物(气体燃料混合物的百分数按体积测量)。 该发动机的运行条件同图3至图7中所绘制数据的运行条件相同。
图9是一个柱形图，其绘制了曲轴转角度数上的气体燃料点火延迟 与定时综合放热中间点的关系，分别为100%压缩天然气，以及23%氢 气和77%压缩天然气的气体燃料混合物(气体燃料混合物的百分数按体积测量)。所绘制的数据示出当与100%天然气作燃料的发动机使用
相同定时喷射气体燃料混合物时的气体燃料点火延迟，以及当该定时调
整时对于气体燃料点火延迟的影响。该发动机的运行条件与图3至图8 中绘制数据的运行条件相同。
图10绘制出发动机排放与定时综合放热中间点的关系，其示出将 发动机的喷射压力从16MPa增加到20MPa的影响，该发动机燃料分别为 100%压缩天然气，以及23%氢气和77%压缩天然气的气体燃料混合物 (气体燃料混合物的百分数按体积测量)。除了不同的燃料喷射压力， 该发动机的运行条件与图3至图9中所绘制数据的运行条件相同。
图11绘制出在燃料喷射压力为16MPa和20MPa的情况下缸内压力 和放热率与曲轴转角度数的关系，该发动机燃料分别为100%压缩天然 气，以及23%氢气和77%压缩天然气的气体燃料混合物(气体燃料混 合物的百分数按体积测量)。该发动机的运行条件与图3至图9中所绘 制数据的运行条件相同。
具体实施例方式
图l是发动机装置IOO的示例图，该发动机装置适于以包括曱烷和 氢气的气体燃料混合物作燃料。燃料存储系统110包括存储容器111， 其用于存储压缩的气体燃料混合物。在示出的实施例中，预混合的气体 燃料混合物可存储在存储容器111中，该存储容器用来以预定的存储压 力存储压缩的气体燃料混合物。根据本地规定来设计存储容器111,该 本地规定可能详细说明为保证气体燃料混合物甚至在发生撞击的情况 下都不发生泄露的安全因素，例如，如果存储容器lll是可能巻入车辆 碰撞的车用燃料罐。除了安全因素和设计强度要求外，本地规定通常设 定最大存储压力。压缩机112可操作以将气体燃料混合物从存储容器 111经后冷却器113和气体燃料供应轨116输送到燃料喷射阀120。后
可以是热交换器，其中冷却液为转移自发动机冷却系统的发动机冷 却剂。在优选实施例中，该燃料供应系统是共轨系统，意味着在喷射压 力下将该气体燃料传输到燃料喷射阀组件120。在此共轨系统中，压力 传感器115可用来测量气体燃料供应轨116中的燃料压力，从而压缩机112可用来将气体燃料喷射压力维持在预定的低设定点(set point) 和高设定点之间。
在一个优选实施例中，液体引燃燃料也被直接喷射进入燃烧室122 以帮助点火气体燃料混合物。在该实施例中，喷射阀组件120可包括能 够独立操作的两个单独的阀针，其中一个阀针控制喷射气体燃料混合 物，第二个阀针控制喷射液体引燃燃料。引燃燃料可从引燃燃料轨118 输送到燃料喷射阀组件120。引燃燃料可通过常规柴油机共轨燃料供应 系统(未示出)在喷射压力下输送到引燃燃料轨118。
燃料喷射阀120将气体燃料混合物直接引入燃烧室122,其通常由 设置在汽缸体124内的缸孔、气缸盖，以及在缸孔内可上下移动的活塞 126所限定。从进气歧管130进入燃烧室122的气流由进气门132控制， 该进气门可在活塞126的进气沖程过程中打开。像常规柴油发动机一 样，所公开的发动机可使用涡轮增压器(未示出)来增加进气压力或该 发动机可自然吸气。燃烧产物可经排气门142从燃烧室122排出进入排 气歧管140,该排气门在活塞126的排气冲程过程中打开。
电子控制器150可编程以控制压缩机112和阀114的操作，从而来 控制气体燃料供应轨116中气体燃料混合物的压力。控制器150也可编 程以命令打开和关闭燃料喷射阀针的正时，该燃料喷射阀针可分别控制 气体燃料混合物和引燃燃料的喷射。例如，电子控制器150可编程以控 制引燃燃料喷射阀，这样引燃燃料可在气体燃料喷射阀被命令打开前约 l毫秒内被引入。另外，电子控制器150可编程以给打开和关闭气体燃 料喷射阀定时。该燃料喷射定时可预定以响应由输入到电子控制器150 的测量参数所确定的发动机运行条件，并且这些参数的输入由箭头152 表示。
图2是发动机装置的另一个优选实施例的示意图，该发动机装置可 以包括曱烷和氢气的气体燃料混合物作燃料。在该实施例中，燃料喷射
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rwjv^^r^'i^;^^>rT"。^r>py 「贝巧、j 4/^^/ &王厶厶厶。j^^tt久^w"^、而t T7i 燃料，因为点火塞228提供点火帮助。点火塞228可以是适用于在发动 机运行过程中持续工作的电加热式预热塞。这不同于常规的预热塞，后 者通常仅仅在一定发动机条件下被激活，诸如当发动机气缸体低于预定 温度时的起动。与以天然气作燃料而没有添加氢气的发动机相比，使用包括氢气的气体燃料混合物的优点在于，因为氢气与天然气相比更容易 点火，预热塞的温度与帮助点火没有混合氢气的天然气所需的温度相比 可保持在较低温度。这是有利的，因为低预热塞温度通常与提高的耐用 性和更长的使用寿命有关。在另一个实施例中(未示出)，点火塞可以
是火花塞o
在图2示出的实施例中，除了使用点火塞228而非引燃燃料帮助开 始燃料燃烧之外，示出的发动机装置基本相同。即，气缸体224中的缸 孔、气缸盖225和在气缸孔内可上下移动的活塞226共同限定了燃烧室 222。空气可在进气门232打开时经进气歧管230流入燃烧室222，并
控制点火塞228的温度。
图2也示出了可选择的第二燃料喷射岡240,其可用于喷射一些气 体燃料进入进气歧管。虽然示出了气道燃料喷射阀，但单独的燃料喷射 阀可进一步布置在进气歧管上游以将气体燃料引入所有燃烧室。第二燃 料喷射阀240可用于将氢气与包括曱烷的诸如天然气的气体燃料混合 物分开引入燃烧室。在这样的实施例中，曱烷和氢气在燃烧室内混合， 但氢气可更加均勻地分散在燃烧室内。这种布局的一个优点是氢气不需 要压缩到像直接喷射所需加压的压力一样高。另一个优点是分开喷射曱
垸和氢气可使每种燃料的比例调整到适合不同的发动机运行条件。然 而，该方法的一个缺点是第二燃料喷射阀增加了发动机的复杂度、资金 和维护成本。
为确定一种操作直接喷射包括甲烷和氢气的气体燃料混合物的内 燃机的理想方法，使用单缸发动机进行实验。该单缸发动机是一种 Cummins ISX系列重型六缸四冲程的直喷柴油发动机，其,皮修改为仅 仅靠一个汽缸运行。该发动机进一步适用于使用WestportTM燃料喷射和 燃料供应系统来操作气体燃料。该发动机气缸的孔径为137毫米，活塞 冲程为169毫米，以及单汽缸的排气量约为2. 5升。连杆的长度为261 毫米，以及压缩比为17: 1。
因为该实验用发动机为单缸发动机，废气流的能量小得不能驱动涡 轮增压器以压缩进气。为模拟涡轮增压发动机的条件，在试验中提供了 气压缩机用于燃烧空气供应。该空气压缩机装备有去除水蒸汽(露点
工- 40X:)的冷冻式空气干燥器(refrigerated air dryer )和去除杂质 的过滤器。EGR循环包括EGR冷却器和可变流量控制阀。维持废气流的 压力约比进气压力大10kPa以驱动废气的再循环。
燃料系统向发动机的内部燃料轨提供气体燃料和柴油。该燃料喷射 阀是两用燃料喷射阀，其可操作来分开独立喷射作为主燃料的气体燃料 混合物和作为引燃燃料的柴油燃料，主燃料和引燃燃料的流动由两个同 心阀针控制。分开的电磁铁驱动的控制阀可操作来控制每个阀针的动作 从而控制各自的引燃燃料和主燃料喷射事件的定时和持续时间。引燃燃 料喷射阀包括有7个口的喷嘴，气体燃料喷射阀包括有9个口的喷嘴， 喷射角度为点火板(firedeck)下18度。在试验中采用两种单独的气 体燃料源。商用天然气(~96mol°/。CH4、 2%C2H6、微量N2、 C02、 CA总计 <0. 5% )在外部压缩并用作参考气体。氢气-曱烷混合的气体燃料混 合物可分别购买(核实标准，分析准确度±2%)，并通过单独的压缩 系统供给到发动机。用作引燃燃料的是符合加拿大通用标准委员会规格 CAN/CGSB-3. 520的低硫(< 500ppm)道路等级柴油。
气流的速率由科氏质量流量计测量(不确定度大约为满量程的1 % )，其对流经气体的成份不敏感。柴油引燃流动由不确定度约为满量 程10%的重力测量系统测量。空气供应由估计其不确定度为满量程3 %的亚音速文氏管测量。气缸压力由不确定度为1%的埋入式安装的水 冷压电式压力传感器测量，并且由分辨率为1/2曲轴转角度数(° CA) 的轴角编码器(shaft encoder)将气缸压力与相关的曲轴转角(CA )联 系起来。使用装备装有红外分析仪(C02 - Beckmann， CO和CH4-Siemens)、火焰电离电流计(总计未燃烧碳氩化合物(tHC ) -Ratfisch ) 以及化学-发光分析仪(NOx-Advanced Pollution Instruments)的未 经处理的废气试验台架来测量气体排放。第二红外分析仪(California Analytical)用来测量进气流中0)2的浓度，才艮据该浓度确定EGR的比 例。冷水分离器用于去除非扩散红外仪器上游的水蒸汽(露点-5lC)。 对于气体排气样本的可重复性研究已表明N0X的不确定性为5%, tHC和 CO的为10%,包括仪器的不确定性和发动机运行条件的改变。使用微-稀释系统来测量#:粒物质，在该孩i -稀释系统中将废气流的一部分分离 出来并以15:1的系数稀释。然后使用颗粒物振荡微量天平(taperedelement oscillating microbalance ) ("TE0M")， Rupprecht & Pataschnick型号1105，或者使用重量分析过滤器来测量该稀释样本中 载有的微粒。PallflexEmfabTM过滤器用来采集样本，然后被称重(准 确度±5j*g)来计算废气流中的质量浓度。发现TEOM的结果平均比重 量分析过滤器读数低8%(相关系数0.96)。在本成果中使用TEOM结果 时，它们都被标以标题"TEOM PM"。
因为单汽缸发动机的高内部摩擦，制动性能参数不代表缸内的条 件。因此，基于总指示功率测量发动机运行，该总指示功率为仅在压缩 和作功冲程上缸内压力与体积曲线的积分，正如J. B. Heywood在1988 年由纽约McGraw-Hill出版的"内燃发动才几基本原理(Internal Combustion Engine Fundamentals )，，中所描述的。由发动机速率和排 量归一化的总指示功率，提供总指示平均有效压力(GIMEP)。该指示 功率用于归一化燃料消耗和排放测量。该总指示具体燃料消耗(GISFC ) 报道了总燃料质量流量，在气体成份表示为能量基础上等效的柴油质量 (低热值:柴油，42.8MJ/kg; NG， 48. 8 MJ/kg; 10 % H2, 50. 6MJ/kg; 23%H2， 52. 5MJ/kg)。
缸内压力微变(trace)也可用于估计净放热率，正如下指出的
其中e是曲轴转角，p是在一定曲轴转角下缸内压力，V是在那点 的气缸容积，y是具体的热率(c,Cv -假设为常数)。该净放热率表示 从燃烧过程释放的热量减去壁的热传递和裂缝流体损耗的速率。通过将 该放热率积分到一个指定曲轴转角并根据整个循环内释放的总能量归 一化，可以确定在循环内至该点所释放的能量分数。该曲线的中间点是 50%的综合放热(50%IHR),可用于限定燃烧定时。
发动机运行也可在等效比率基础上确定(d):实际的燃料/氧化剂 与按化学计量的燃料/氧化剂之间的比率)。稀释的进气量定义为进入 氧气的质量分数(Yint。2)，该质量分数对于非稀释空气为0. 23并且随稀 释量的增加(即，增加的EGR)而减小。通过指定cj)、 50%IHR、 GIMEP、 发动机速率和进入氧气的质量分数，完全限定了发动机的运行条件。
为测试包括曱烷和氢气的气体燃料混合物所选择的试验测试条件 是基于减少燃料消耗同时增加运行条件现实性的愿望。尤其是，与天然气运行相关的高排放的运行条件对确定氢气可如何有效地提高较差的
天然气燃烧来说是重要的。所选的运行条件有如下特征高EGR分数、 即质量上为40%;进入氧气的质量分数(Yint。2)为0. 175; 800RPM的发 动机转速；低负荷，即6巴的总指示平均有效压力("GIMEP，，)；以及 0.5的适中4)(基于氧气的)。进行试验的燃料喷射压力为16MPa和 20MPa。按体积计94%甲烷浓度的天然气是气体燃料混合物中甲烷的来 源，测试了按体积计分别为10%氢气和23%氢气的混合物。为确定在 一定条件范围内的影响(同时最小化运行条件所需的变化)，使用了一 个燃烧定时范围。通过改变燃烧定时，可在相同基准(EGR、负荷、转 速)条件下测试高度稳定条件(早定时)和非常不稳定条件(晚定时)。 为提高试验的精确度，决定使用成对的测试方法，在该测试方法中首先 使用天然气测试一个单点，然后使用气体燃料混合物测试(或以相反顺 序)。通过固定运行条件，然后改变定时，可最小化因运行条件设定点 的不可重复性所造成的变化。定时设定的复制性用来建立重复性。大部 分测试以16MPa的燃料喷射压力进行，以确保所命令的喷射打开持续时 期可重复(超过0.9ms)。因该压力低于在其他气体燃料直喷内燃发动 机通常所使用的压力，例如以100%天然气作燃料的发动机，对天然气 和气体燃料混合物都以20MPa进行了一系列测试，以确保该倾向不受该 参数影响。
在图3中示出在曱烷中混合10%和23% (体积计)氩气对排放的 影响。与仅使用天然气作燃料的相同发动机的数据相比，使用包括10% 氢气的气体燃料混合物的测试数据表明对于测试的喷射定时，测定的 排放基本相等或有所减少。例如，测定数据显示，PM、 tHC和CO的排 放减少了约5%到10%。而且，值得说明的是，在燃料中添加氢气并未 对发动机的运行或所测量的排放等级产生有害影响。也就是说，添加氢 气对于NOx的排放没有重要影响。
应注意，绘制数据上显示的误差柱形(bars)是基于长期的不确定 性估值，包括分析仪敏感度和发动机运行条件的变化。PM误差是基于 比重计样品计算的不确定度。
添加23%氢气比添加10%氢气对排放有更大影响。NOx排放轻微增 加但基本上未变化，然而CO、 tHC和C02 (未示出)的排放却减少了。因为PM测量上的不确定性，唯一观测到的较大影响发生在最晚定时， 相比以100%天然气或10%氲气的气体燃料混合物作燃料的发动机的 相同定时，含有23%112的燃料所检测的PM大量减少。燃烧区中出现的 氢气，可能因0H原子团的浓度增加而影响污染物的排放。这种高活性 分子可提供未燃烧燃料和诸如C0和tHC的部分燃烧物质更加快速的氧 化。也显示出氢气可有效减少因高湍流应力率(turbulent strain-rates )导致的局部火焰熄灭，而i人为局部火焰熄灭的情况产生 大量的污染物排放。因为高0H浓度导致快速-N0反应的增加，N0x的排 放有可能因添加氢气而轻微增加。也可能是因为添加氢气可产生更高强 烈的燃烧。
所测量PM的低等级接近于仪器的测试限度。然而，在图3中显示 的结果示出，甚至对于仅含10%氢气的气体燃料混合物，也可始终观 察到PM上的微小减少。对于含23%氢气的气体燃料混合物，在早喷射 定时可检测到PM上的相同微小减少，但是当喷射定时延迟时，可实现 PM排放的更明显减少。这是PM排放与在测试晚喷射定时时通常出现的 以及对以100%天然气作燃料的发动机所预测的排放存在的较大区别。 这些结果表明，与仅使用曱烷或天然气作燃料的发动机不同，通过使用 包括曱烷和至少23%氢气的气体燃料混合物，在低负荷、低速的发动 机条件下，有可能延迟燃料喷射定时以实现N0x排放的显著减少，而不 存在明显增加PM排放的通常后果。
图4中，在燃烧持续时间(10-90%的综合放热)、总指示具体燃 料消耗(GISFC)、峰值放热率以及GIMEP的变化系数(C0V)方面将与 天然气混合的10%和23%氢气的影响与天然气燃料情况进行了比较。 该GISFC显示出对定时或燃料组成没有重大影响。对于氢燃料情况(尤 其是23%氢气)的晚定时，燃烧持续时间明显减少。有趣的是，对于 早定时在燃烧持续时间上没有变化。这表明不同机制可能会限制在早定 时和晚定时的燃烧率，在晚定时存在化学运动限制，而相比于早定时则 存在混合限制条件。对于以包含按体积计23%氢气的气体燃料混合物 作燃料的发动机，峰值放热率(大致相当于从燃料释放化学能量的最高 速率)比该发动机使用100%天然气作燃料时平均高大约20%。当该发 动机以仅包括10%氢气的气体燃料混合物作燃料时，该差别不太明显，尽管在大多数定时的峰值放热率有轻微增加。使用包括氢气和曱烷的气
体燃料混合物作燃料也显著降低燃烧可变性(正如C0V GIMEP所测量 的)。对于包括10%氢气的气体燃料混合物，在晚燃烧定时可以观测 到可变性上的显著减少。对于包括23%氢气的气体燃料混合物，在所 有燃烧定时都可观察到减少的可变性，尽管可变性上的减少对于晚燃烧 定时最大。燃烧可变性上的这种减少可归因于添加氢气导致火焰稳定性 的增加，添加氢气对观察到的C0和tHC排放的减少有直接贡献。
图5示出了两幅柱形图，该柱形图绘出对于使用不同气体燃料混合 物作燃料的发动机的引燃燃料和气体燃料点火延迟。同样，数据采集自 以相同的试验测试条件运行的发动机800RPM, 6巴GIMEP, 0. 5 4> ， 40 。/oEGR和16MPa的喷射压力。正如在图5中所示，对于试验测试条件， 向天然气中添加氢气对于引燃点火延迟没有显著影响。当该发动机以包 括10%氢气和90%天然气的气体燃料混合物作燃料时，在气体点火延 迟方面有轻微减少。当该发动机以包括23%氢气的气体燃料混合物作 燃料时，在气体燃烧延迟方面观察到平均20%的减少。这些延迟被定 义为在命令开始喷射和所观测到开始燃烧之间的时间。正因如此，它们 包括喷射器内的任何物理延迟，以及所喷射燃料的混合和化学延迟时 间。命令开始喷射是已记录的值，而开始燃烧定时则根据检测到的放热
率确定。开始引燃燃烧被认为是能量释放上的第一个明显增加。这些图 上的不确定度估计为士O. 5曲轴转角度数(。CA)，代表曲轴转角编码器
的不确定度。开始气体燃烧位于观测到放热率迅速进一步增加的点。图 6的放热图中示出了这些位置的例子。
观察到的较短气体点火延迟时间与预混合和非预混合自动点火的 曱烷测试相一致，其在1997年已被C. G. Fotache、 T. G. Kreutz和 C.K. Law发表在"燃烧和火焰"(Combustion and Flame)第110巻第 429 - 440页的"使用加热空气点火富有氢气的曱烷"所报道，该文示 出了添加氢气可大大减少点火延迟时间。然而，Fotache等人的论文并 不涉及由引燃火焰点火的非预混合的喷射流，因此与现在所公开的方法 和装置并不直接具有可比性。Fotache等人的论文表明甚至对于10%氢 气，点火延迟仍发生明显减少，与之相反，在图5中所示出的该试验数 据表明对于所研究的内燃发动机，其使用引燃燃料帮助直接喷射的主燃料点火，在检测到显著效果之前需要更多数量的氢气。因为燃烧过程是 复杂的，较短气体点火延迟可对燃烧过程产生众多影响。首先，可用于 混合的时间大大减少。虽然氢气可因其高扩散能力混合得较快些，但曱 烷的扩散率则基本稳定。这会导致在点火延迟时间内较少的曱烷被过度
混合，从而造成tHC排放的减少。该较短点火延迟也可造成较少空气在 预燃烧阶段混合进气体射流，导致在燃烧过程中产生较浓射流中心(jet core)。该较浓射流可导致烟粒形成的增加。PM的减少(其不像CO和 tHC的减少一样多)可能是烟粒形成增加(由较浓非预混合的射流引起 的)和在OH原子团过程中氧化增加的结果。
图6示出，相比当该发动机以100%天然气作燃料时，对于以包括 10%氢气和90%天然气的气体燃料作燃料的发动机，没有观测到由压 力微变和放热率表示的缸内条件存在显著差别。在该例中，由601所示 的定时是当引燃燃料喷射开始时，而602显示的是当气体燃料混合物喷 射开始时的定时。在由603示出的定时发生的净放热率的第一次增加表 明引燃燃料的燃烧开始，在由604示出的定时发生的净放热率的第二次 增加发生表明气体燃料混合物的燃烧开始。虽然，对于0、 5和15。ATDC 定时的压力微变和放热率并未示出，但在这些其他定时可观测到相似的 结果。当该发动机以包括23%氢气和77%天然气的气体燃料混合物作 燃料时，可观测到对缸内条件更显著的影响。对于图7中所绘出的数据， 为维持两个所绘制的燃烧条件(100 %天然气与包括23 %氢气和77 %天 然气的气体燃料混合物)存在相同的燃烧定时，通过将正时喷射气体燃 料混合物延迟约4曲轴转角度数补偿了较短点火延迟。图7示出，对于 以包括氢气和天然气的气体燃料混合物作燃料的发动机，放热率根据燃 料组成和燃料喷射定时而变化。即，当该发动机以包括氢气的气体燃料 混合物作燃料时，在所有的燃烧定时其峰值放热率都更高，且该峰值放 热率随氢气在燃料混合物中比例的增加而增加。虽然在1纟。ATDC比早定 时的时候放热率增加更多，但对于以包括氢气的燃料混合物作燃料的发 动机峰值放热率更高一一这种影响十分一致。观察到，对于天然气以及 氢气和曱烷的气体燃料混合物，燃料喷射定时的影响是一致的，这是因 为延迟喷射定时导致放热率减少。
对于大部分的测试，通过改变开始喷射定时(引燃燃料和主燃料定时等量调整，因气体和柴油喷射之间的相对延迟保持稳定)使放热中间
点(50%IHR)保持稳定。因该技术最大化了燃烧定时的可比性，其造 成燃烧定时上的变化。为研究这一点，进行试验以采集两组数据。当发 动机以相同的开始喷射定时(引燃燃料和气体燃料)运行时，从该发动 机采集一组数据，此时该发动机以100%天然气作燃料，而非以包括23 %氢气和77%天然气的气体燃料混合物作燃料。以相同燃料条件采集 第二组数据，但调整了开始喷射定时以维持综合放热中间点的稳定燃烧 定时。
这些定时调整对缸内性能的影响在图8中示出，其示出以下三种条 件的缸内压力和放热率(1) 100%天然气；(2)包括23%氢气和77 %天然气的气体燃料混合物，使用与100%天然气相同的定时；以及(3) 包括23%氢气和77%天然气的气体燃料混合物，但调整了开始喷射定 时以与100%天然气保持相同的综合放热中间点(50%IHR)的定时。 对于以100%天然气作燃料的发动机，以及对于以23 0/。氢气作燃料但调 整开始喷射定时的发动机，该数据是用于其中50。/。IHR被设置为上止点 后(。ATDC) 10度曲轴转角的条件。虽然引燃开始燃烧(通过放热图中 的第一次增加示出)对于三种条件都相当稳定，但向燃料中添加氢气可 大大减少气体点火的延迟时间，如更早的主燃烧事件所示出的。正如在 图9中所示，在所有综合放热中间点的定时都观测到相似的结果。当发 动机在固定和调整定时下以包括氢气的气体燃料混合物作燃料时，对于 该发动机观测到更短的气体点火延迟。可以认为，对于固定定时条件， 气体点火延迟更短，这是因为该点火在循环中发生得较早。对于所有稳 定喷射定时情况，综合放热的中间点提前了约4曲轴转角度数(。CA)。 对排放的影响(未示出)与提前定时约4 °CA的影响相一致。
用来采集大多数试验数据的16MPa的喷射压力，低于直接将诸如天 然气的气体燃料喷射进内燃发动机燃烧室的气体燃料发动机通常所使 用的压力。通常，认为高喷射压力是更理想的，19MPa和30MPa之间的 喷射压力更常用。为测试喷射压力对观察结果的影响，一些试验以20MPa 的燃料喷射压力反复进行。虽然这仍然大大低于最高可达到的喷射压 力，但是因缸内压力较低，它提供了一个合理的喷射轨/峰值缸压比。 在最早燃烧定时(这时峰值缸压最高)的最小燃料/缸压比在20MPa时为2: 1,相比于16MPa喷射则为1.6: 1。对于晚燃烧定时，该比值增 加至3.3 (相比于16MPa时的2. 7)。因为在喷射期间缸压发生变化， 而从喷嘴流出的气体压力因喷射器体内的流体损耗和喷嘴出口处的气 体动力大大低于轨压，所以这些比值并不代表喷射器喷嘴的燃料与缸内 条件之间的真实比值。然而，这些比值确实提供了一种表征喷射压力影 响的方法，并提供一个基础，用于在以100%天然气作燃料的发动机和 以包括氢气和曱烷的气体燃料混合物作燃料的发动机之间比较这些影 响。
在图10中示出了增加喷射压力对排放的影响。较高喷射压力倾向 于增加C0、 PM和tHC的排放，而NOx和GISFC则不受影响。可看出，该 结果对于天然气燃料和氢气-曱烷混合物燃料是一致的。在图11中示 出了喷射压力对于气缸内性能的较小影响，该图绘出对于以包括按体积 计23%氢气和77%天然气的气体燃料混合物作燃料的发动机在16和 20MPa的压力迹和放热率。令人吃惊的是，与以相同气体燃料混合物作 燃料却以较低压力喷射的发动机相比，较高喷射压力导致PM、 tHC和 CO排放等级的轻微增加。然而，试验结果的确示出增加氩气造成PM、 总碳氢化合物(tHC)和一氧化碳(CO)排放的减少，而对于N0x的排 放没有消极影响；并且该结果对于两个喷射压力通常都相一致。因此， 这些结果表明增加氢气对一个燃料喷射压力范围内的排放有积极影响。
根据所采集的试验数据，可确定某些趋势，该趋势涉及由燃料成分 和燃烧定时所引起的发动机排放和燃烧稳定性。也就是说，这些趋势可 从当发动机运行不同气体燃料混合物时所采集的数据中推断出，该气体 燃料混合物包括100%天然气(和0%氢气)，90%天然气和10%氩气， 以及77%天然气和23%氢气。当发动机以90%天然气和10%氩气作燃 料时，与当相同的发动机以100%天然气作燃料时相比，观测到燃烧稳 定性有所提高，发动机的排放基本相同或稍微减少。当该相同发动机以 77%天然气和23%氢气作燃料时，燃烧稳定性有较大改善，并且发动 机排放也有更大改善。虽然结果在图中没有示出，也同样进行了其中发 动机以按体积计(在STP) 35%的氢气作燃料的试验，并且在这样高氢 气百分数下对排放的影响仍然有益。然而，氢气与天然气相比更难压缩， 并且，对于相等能量值，与甲烷相比氢气占用更多容积，这给较高氢气百分比的气体燃料混合物带来容积流量的挑战。根据所采集的试验数 据，从所进行试验观测到的排放等级，以及与在其他发动机中燃烧气体
燃料混合物相关的公知常识，可合理推断出，与仅以100%天然气作燃 料的发动机相比，可使用包括按体积计浓度为5%到至少60%氬气的气 体燃料混合物实现改善燃烧稳定性和改善发动机排放。根据图3和图4 中所绘制观测到的趋势，高氢气浓度可产生更好的燃烧稳定性(降低的 燃烧可变性)和低排放，但是这些优点可被其他诸如高氢气百分比需要 增加容积流量需求或者成本或氢气的可供给性等因素抵消。对于高百分 数的氢气，气体燃料混合物的性能也可改变，因为与天然气相比，氢气 有较低的润滑性。在一些情况下，优选的气体燃料混合物可在10%和 50%氢气之间或者甚至更窄的范围，诸如15%到40%之间的氢气与天 然气混合，或者20%到35%之间的氢气与天然气混合。通过具体例子， 气体燃料混合物可包括曱烷和氢气，以体积百分数表示的氢气容量为 12%、 14%、 16%、 18%、 20%、 22%、 23%、 24%、 25%、 26%、 28 %、 30%、 32%、 34%、 35%、 36%、 38%、 40%、 42%、 44%、 46 %、 48%、 50%中的一个以及它们之间的任何百分数。
根据试验数据，也可确定涉及燃烧定时的趋势。对于以包括氢气和 曱烷的气体燃料混合物作燃料的发动机，与以100%天然气作燃料的相 同发动机相比，燃烧稳定性可在较宽范围内实现。对于以包括10%氢 气的气体燃料混合物作燃料的发动机，可在综合放热中间点定时出现在 上止点后曲轴转角10度以及更晚时观测到该稳定性的提高。对于以包 括23%氢气的气体燃料混合物作燃料的相同发动机而言，燃烧稳定性 的提高可在综合放热中间点出现在上止点后5度曲轴转角时尽早观察 到，并对于更晚燃烧定时燃烧稳定性的提高进一步增加。根据试验数据 可推导出，以包括甲烷和按体积计至少10%氢气的气体燃料混合物作 燃料的发动机，可等于或优于以100%天然气作燃料的相同发动机的燃 烧稳定性和排放。即使在一种发动机运行条件下采集了大部分数据，因 所选的发动机运行条件通常与高发动机排放相关，因此预测当该发动机 在不同发动机条件下运行时，所测试的包括至少10%氢气和大部分曱 烷的气体燃料混合物可产生类似或更优的排放和燃烧稳定性。
总之，试验结果表明，与以100%天然气作燃料的相同发动机相比，可运行直接喷射包括氢气和曱烷的气体燃料混合物的内燃发动机来降
低排放并提高燃烧稳定性。在图4中GIMEP的变化系数与燃烧定时的关 系图显示出添加氢气引起燃烧可变性的大量减少。该试验结果也表明， 虽然与该发动机在相同条件下运行但以100%天然气作燃料相比，添加 氢气可增加峰值燃烧放热率，显示更高的燃烧温度，但添加氢气并不导 致N0x排放水平的增加。该结果进一步表明，与该发动机以100%天然 气作燃料相比，因PM排放在晚燃烧定时减少，添加氢气可实现晚燃烧 定时。该试验数据表明，与以100%天然气作燃料的发动机相同，对于 以包括曱烷和氢气的气体混合物作燃料的发动机，N0x的排放等级随晚 燃烧定时增加而减少。虽然对于以100%天然气作燃料的发动机，对于 晚燃烧定时PM排放的骤然增加确定了燃烧定时可以延迟的限度，但是 该试验结果表明，对于以包括氢气和天然气的气体燃料混合物作燃料的 发动机，晚燃烧定时是可能的，因为PM排放随着燃烧定时的延迟以相 对较小的斜率增加。另外发现，将其直接喷射进内燃发动机燃烧室的包 括氢气和甲烷的气体燃料混合物的一个特点是，气体燃料混合物与不添 加氢气的天然气相比以更短的点火延迟被点火。对于所测试的发动机条 件，较短点火延迟导致提前了约4度曲轴转角的燃烧定时，如果维持了 用于天然气发动机的相同喷射定时，则这导致更高的峰值缸内压力和更 高的峰值放热率。可以确定，能够做出定时调整以使得燃烧特性匹配以 100 %天然气作燃料的发动机的燃烧特性。
虽然已示出并描述了本发明的具体元件、实施例和应用，但应理解， 本发明并不限于此，这是因为对于本领域的普通技术人员可在不偏离本 公开内容的范围内，尤其是根据前述所教授的内容对本发明做出修改。
权利要求
1. 一种运行直喷内燃发动机的方法，所述方法包括将气体燃料混合物直接引入所述发动机的燃烧室，其中所述气体燃料混合物包括甲烷和在标准温度和压力下按体积计5％到60％的氢气，并且对于至少一种发动机运行条件，当将该气体燃料混合物引入所述燃烧室时，维持燃料轨与峰值缸内压力比为至少1.5∶1。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中所述气体燃料混合物包括在 标准温度和压力下按体积计10%到50%的氢气。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中所述气体燃料混合物包括在 标准温度和压力下按体积计15%到40%的氢气。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中所述气体燃料混合物包括在 标准温度和压力下按体积计20%到35%的氢气。
5. 根据权利要求1所述的方法，其中所述曱烷是天然气的组成部分。
6. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括预混合所述气体燃料 混合物并将其以混合燃料存储在从其中可将该混合燃料传输到所述发 动才几的存储罐内。
7. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括控制燃料喷射定时， 从而使综合放热的中间点出现在上止点后2到30曲轴转角度数。
8. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括控制燃料喷射定时， 从而在至少一种发动机运行条件下，综合放热的中间点出现在上止点后 5到15曲轴转角度数。
9. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括在开始喷射所述气体燃料混合物之前大约1毫秒内，直接将引燃燃料喷射进所述燃烧室。
10. 根据权利要求9所述的方法，其中所述引燃燃料是十六烷值在 40和70之间的液体燃料。
11. 根据权利要求10所述的方法，其中所述液体燃料是柴油燃料。
12. 根据权利要求9所述的方法，其中在发动机运行图上，所述引 燃燃料在能量基础上平均为所述发动机消耗燃料的3%到10°/。。
13. 根据权利要求9所述的方法，其中在发动机运行图上，所述引 燃燃料在能量基础上平均为所述发动机消耗燃料的4%到6%。
14. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所述燃烧室内加热 一个热表面以帮助点火所述气体燃料混合物。
15. 根据权利要求14所述的方法，其中所述热表面由预热塞提供， 并且所述方法进一步包括电加热所述预热塞。
16. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括火花点火所述燃烧室 内的所述气体燃料混合物。
17. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括将所述氢气与所述曱 烷分开存储并将所述氢气和所述曱烷混合以形成所述气体燃料混合物。
18. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括根据发动机运行条件 控制所述气体燃料混合物中氢气和曱烷的比例。
19. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所有发动机运行条 件下，当将所述气体燃料混合物引入所述燃烧室时，维持燃料轨与峰值 缸内压力比为至少1. 5: 1。
20. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括在至少一种发动机运 行条件下，当将所述气体燃料混合物引入所述燃烧室时，维持燃料轨与 峰值缸内压力比为至少2: 1。
21. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括当将所述气体燃料混 合物引入所述燃烧室时，在燃料喷射阀的喷嘴口维持阻流状态。
22. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括以至少16MPa (约 2350psia )的喷射压力将所述气体燃料混合物喷入所述燃烧室。
23. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括以至少20MPa (约 2900psia )的喷射压力将所述气体燃料混合物喷入所述燃烧室。
24. 根据权利要求1所述的方法，其中在压缩沖程过程中以至少约 14: 1的比率压缩所述燃烧室内的进气。
25. 根据权利要求1所述的方法，其中在标准温度和压力下曱烷是 所述气体燃料混合物按体积计的最大组份。
26. —种向内燃发动机供给燃料的方法，所述方法包括 将气体燃料混合物直接引入所述发动机的燃烧室，其中所述气体燃料混合物包括曱烷，并且将氢气引入所述燃烧室，从而向所述气体燃料混合物中添加氢气， 其中在标准温度和压力下所述氢气表现为所述气体燃料混合物按体积 计的5%到60%;并且在至少一种发动机运行条件下，当将所述气体燃料混合物引入所述 燃烧室时，维持气体燃料混合物轨与峰值缸内压力比为至少1.5:1。
27. 根据权利要求26所述的方法，进一步包括将所述氢气同包括 曱烷的所述气体燃料混合物预混合，并将所述气体燃料混合物和所述氢气直接引入所述燃烧室。
28. 根据权利要求26所述的方法，进一步包括将所述氩气和进气 预混合，并在所述活塞的进气沖程将所述氢气引入所述燃烧室。
29. 根据权利要求26所述的方法，进一步包括将所述氩气与所述 气体燃料混合物分开直接引入所述燃烧室。
30. —种以包括曱烷和在标准温度和压力下按体积计5%到60o/o 氢气的气体燃料混合物作燃料的内燃发动机，所述发动机包括由气缸、气缸盖，以及在所述气缸内可移动的活塞限定的燃烧室； 具有布置在所述燃烧室内的喷嘴的燃料喷射阀，所述燃料喷射阀可 操作以将所述气体燃料混合物直接引入所述燃烧室；增压设备和管路，用于在至少一种发动机运行条件下，以至少1.5:阀；并且电子控制器，其与所述燃料喷射阀的致动器通信以控制用于操作所 述燃料喷射阀的定时。
31. 根据权利要求30所述的发动机，其中所述发动机具有至少14 的压缩比。
32. 根据权利要求30所述的发动机，其中所述电子控制器可编程， 以定时所述气体燃料混合物至所述燃烧室的引入，使得综合燃烧放热的 中间点出现在上止点后2到30的曲轴转角度数。
33. 根据权利要求30所述的发动机，其中所述电子控制器可编程， 以定时所述气体燃料混合物至所述燃烧室的引入，使得综合燃烧放热的 中间点出现在上止点后5到15的曲轴转角度数。
34. 根据权利要求30所述的发动机，其中所述燃料喷射阀安装在所述汽缸盖内，同时所述燃料喷射阀包括布置在所述燃烧室内的喷嘴。
35. 根据权利要求30所述的发动机，进一步包括第二燃料喷射阀， 其可操作以将引燃燃料直接引入所述燃烧室。
36. 根据权利要求35所述的发动机，其中所述第二燃料喷射阀被 集成进阀组件，该组件还包括用于引入所述气体燃料混合物的所述燃料 喷射阀。
37. 根据权利要求36所述的发动机，其中所述第二燃料喷射阀和 用于引入所述气体燃料混合物的所述燃料喷射阀可独立致动，并且所述 气体燃料混合物可通过第一组喷嘴口喷射进所述燃烧室，该第一组喷嘴 口不同于通过其将所述引燃燃料喷射进所述燃烧室的第二组喷嘴口。
38. 根据权利要求30所述的发动机，进一步包括布置在所述燃烧 室内的点火塞，其可操作以帮助气体燃料混合物的点火。
39. 根据权利要求38所述的发动机，其中所述点火塞是预热塞， 该预热塞可电加热以提供用于帮助所述气体燃料混合物点火的热表面。
40. 根据权利要求38所述的发动机，其中所述点火塞是火花塞。
41. 根据权利要求30所述的发动机，进一步包括用于存储所述气 体燃料混合物的存储容器，该气体燃料混合物是充分均质的混合物且具 有预定的氢气和曱烷比例。
42. 根据权利要求30所述的发动机，进一步包括在其中可存储所 述氢气的第一存储容器，在其中可存储包括曱烷的气体燃料的第二存储 容器，以及与每个所述第一和第二存储容器相连的阀，该阀可操作以控 制引入所述燃烧室的所述气体燃料混合物中的氢气和曱烷各自的比例。
43. 根据权利要求42所述的发动机，其中所述电子控制器可编程， 以响应于所检测的发动机运行条件而将所述气体燃料混合物中氬气和 曱烷各自的比例改变到预定数量。
44. 一种以包括甲烷和氢气的气体燃料混合物作燃料的内燃发动 机，所述发动机包括由气缸、气缸盖以及在所述气缸内可移动的活塞限定的燃烧室；具有布置在所述燃烧室内的喷嘴的第一燃料喷射阀，其中所述燃料 喷射阀可操作以将甲烷直接引入所述燃烧室；具有布置在进气歧管内的喷嘴的第二燃料喷射阀，其中所述第二燃 料喷射阀可操作以将氢气引入所述进气歧管，通过该进气歧管所述氢气 可流入所述燃烧室；并且电子控制器，其与用于每个所述第一和第二燃料喷射阀的致动器通 信，并用于控制操作所述第一和第二燃料喷射阀的各自定时。
45. 根据权利要求44所述的发动机，进一步包括增压设备和管路， 其在至少一种发动机运行条件下，以至少1.5: 1的燃料轨与峰值缸内 压力比将所述曱烷输送到所述第一喷射阀。
46. 根据权利要求44所述的发动机，其中所述发动机具有至少14 的压缩比。
全文摘要
提供了一种气体燃料的内燃发动机和一种运行该发动机的方法，该发动机和方法用于提高燃烧稳定性和减少NO<sub>x</sub>、PM和未燃烧碳氢化合物的排放。该方法包括供给氢气和天然气作内燃发动机的燃料，该氢气和天然气可共同直接喷射进燃烧室或者分开引入。传输到该发动机的总气体燃料中，在标准温度和压力下按体积计至少5％为氢气。对于至少一种发动机运行条件，燃料轨压力与峰值缸内压力的比率为至少1.5∶1。该发动机包括由气缸、气缸盖、以及气缸内可移动的活塞限定的燃烧室；以及一个燃料喷射阀，其可操作以将气体燃料混合物直接引入该燃烧室，或者两个分开的燃料喷射阀，其可操作以分开引入甲烷和氢气。电子控制器与燃料喷射阀的致动器通信以控制操作燃料喷射阀的定时。该发动机具有至少14∶1的压缩比。
文档编号F02M21/02GK101421500SQ200780011798
公开日2009年4月29日 申请日期2007年3月13日 优先权日2006年3月31日
发明者G·P·麦克塔格特-科万, S·N·罗加克, S·芒希, W·K·布希 申请人:西港能源有限公司;英属哥伦比亚大学