专利名称：使用氢的内燃机的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用氢的内燃机。
背景技术：
在例如日本特许公开专利No.2003-343360中，公开了设置有氢气发生能力的内燃机系统。特别地，该系统包括产生富含氢的气体和脱氢产物的机构以及使用所产生的富含氢的气体作为燃料的氢气发动机，其中，脱氢产物例如从包括有机氢化物如萘烷的氢化燃料中获得的萘。
在上述公开的系统中，当氢气发动机操作时，氢化燃料使用该操作所产生的热被分离为富含氢的气体和脱氢产物。更详细的，通过将氢化燃料喷射到催化剂上，从而在该催化剂上引起脱氢反应而得到氢气。
文献1日本专利特许公开No.2003-34336，文献2 日本专利特许公开No.2002-255503，文献3日本专利特许公开No.7-63128。
在上述引用所公开的系统中，脱氢产物在存储一段时间后被聚集。但是，可替代地，建造一个将脱氢产物作为燃料(脱氢燃料)供给到发动机的系统也是可能的。在该情形中，氢气和脱氢燃料以一种能确保发动机效率和排放性能的比率供给到内燃机。
另一方面，氢气和脱氢燃料以固定比率从氢化燃料中分离。如果内燃机所需的氢气量从氢化燃料中被分离，与氢气一起产生的脱氢燃料量将超过内燃机所需的脱氢燃料量。因此，只要按照需要分离氢气，就将产生过量的脱氢燃料。
发明内容
作出本发明的目的是为了解决上述问题。本发明的一个目的是防止过量的脱氢燃料产生于使用氢的内燃机中，在那里，氢化燃料被分离为氢气和脱氢燃料并且它们被供给到内燃机。
根据本发明一方面，使用氢的内燃机包括脱氢装置，供给装置和控制装置。脱氢装置执行脱氢反应以便将有机的含氢化物的燃料分离为氢气和脱氢燃料。供给装置将分离的氢气和脱氢燃料分别供给到内燃机。控制装置使内燃机的操作在第一模式和第二模式之间转换，其中在第一模式中，氢气和脱氢燃料都被供给到内燃机，而在第二模式中，只有脱氢燃料被供给到内燃机。第一模式为理论配比(化学计量)燃烧模式，而第二模式为稀燃模式。
根据本发明另一方面，使用氢的内燃机包括脱氢装置，供给装置，控制装置，第一存储装置和第二存储装置。脱氢装置执行脱氢反应以便将有机含氢化物的燃料分离为氢气和脱氢燃料。供给装置将分离的氢气和脱氢燃料分别供给到内燃机。控制装置使内燃机的操作在第一模式，第二模式以及第三模式之间转换，其中在第一模式中，只有氢气被供给到内燃机，在第二模式中，氢气和脱氢燃料都被供给到内燃机，而在第三模式中，只有脱氢燃料被供给到内燃机。第一存储装置存储所分离的脱氢燃料，第二存储装置存储所分离的氢气。控制装置根据内燃机的操作条件和存储在第一存储装置中的脱氢燃料量或存储在第二存储装置中的氢气量使内燃机的操作在第一至第三模式之间转换。
图1是用于解释与本发明实施例共有的内燃机系统的配置。
图2示出第一实施例系统的操作模式。
图3是第一实施例中使用氢的内燃机执行操作的流程图。
图4是第二实施例中使用氢的内燃机执行操作的流程图。
图5是第三实施例中使用氢的内燃机执行操作的流程图。
图6示意性示出了第四实施例的系统的操作模式。
图7是第四实施例中使用氢的内燃机执行操作的流程图。
具体实施例方式
下面通过参照附图描述本发明的一个实施例。注意附图中共有的相同元件用同样的标记数字表示，并且避免了对它们的重复描述。还应注意到，本发明并不限定于下列实施例。
第一实施例图1用于解释与本发明该实施例共有的内燃机系统的配置。该系统具有一内燃机10，其中进气管12和排气管连接到该内燃机。
在进气管12中，安装有节气门16以控制吸入的空气量。氢气喷射器18设置在节气门16的下游。此外，汽油喷射器20设置在内燃机10的进气孔。
正如后面的描述，富含氢的气体以一定压力供给到氢气喷射器18。从外部接收一驱动信号，氢气喷射器18打开阀门以便将富含氢的气体喷射到进气管12。将被喷射的富含氢的气体量与阀门的开启周期一致。尽管在图1中，氢气喷射器18设置在系统的进气管12处，该配置并不限定于这种布置。特别地，氢气喷射器18可安装到内燃机10的主体，以便氢气可喷射到气缸。
正如后面的描述，汽油以一定压力喷射到汽油喷射器20。从外部接收一驱动信号，汽油喷射器20打开其阀门以便将汽油喷射到进气孔。喷射的汽油量与阀门的开启周期一致。
脱氢反应器22连接到排气管14。此外，氢化汽油喷射器24被安装到脱氢反应器22的顶部。
正如后面的描述，氢化汽油以一定压力供给到氢化汽油喷射器24。从外部接收一驱动信号，喷射器24打开其阀门以便将氢化汽油喷射到脱氢反应器22。喷射的氢化汽油量与阀门的开启周期一致。内燃机10所需的氢气量根据内燃机10的运转条件改变。在ECU80中，存储有一关系图，其限定了内燃机10所需的氢气量以及运转条件(发动机转速和负荷(节气门))之间的关系。ECU80根据该图表计算所需的氢气量并控制氢化汽油喷射器24的开启/关闭。此外，通过使用排气管14排出的热量，脱氢反应器22可将所供给的氢化汽油分离为富含氢的气体和脱氢汽油(脱氢燃料)并将它们输出。
在排气管14中，排气温度传感器25安装在脱氢反应器22的上游。此外，氧传感器26和NOx传感器28被安装在脱氢反应器22的下游的排气管14中。根据排气中的氧量，氧传感器26提供一代表排气中空燃比的输出。此外，NOx传感器28提供一代表排气中NOx浓度的输出。在这些传感器26和28的下游，设置有催化剂30来净化排气。
该实施例的系统设置有氢化汽油箱32。存储在氢化汽油箱32中的氢化汽油与普通汽油相比包含更多的有机氢化物。这里，“有机氢化物”指碳氢(CH)组份，其在约300℃时显现出脱氢作用。特别地，它们是萘烷，环己烷和类似物。
普通汽油(LFT-1C)包含约40％的甲苯。通过使甲苯氢化，可生产出甲基环己烷(C7H14)，这是一种有机氢化物。即，使用普通汽油作为原材料，通过对包含在普通汽油中的甲苯进行氢化，有可能生产出包含约40％的甲基环己烷的氢化汽油。为方便起见，假定本实施例的氢化池32供给有这种组成的氢化汽油。
氢化汽油供给管34连接到该氢化汽油箱32。氢化汽油供给管34在其通道的一半处具有泵36并且其端部连接到氢化汽油喷射器24。在内燃机的操作过程中，氢化汽油从氢化汽油箱32向上泵送并以一定压力供给到氢化汽油喷射器24。
正如上文所提及的，氢化汽油喷射器24安装在脱氢反应器22的顶部。脱氢反应器22是使用排气热量对氢化汽油进行处理的装置。在内燃机的操作过程中，脱氢反应器22的内部温度将超过300℃。
为防止直接暴露于内部温度，氢化汽油喷射器24被安装为其主要部分从脱氢反应器22的顶部向上突出。因此，在该实施例的系统中，氢化汽油喷射器24的温度不会不适当地升高。
注意，在图1的系统中，尽管氢化汽油喷射器24是风冷的，但冷却方法并不限定于风冷。例如，内燃机10中的冷却水可被用于冷却氢化汽油喷射器24。在该情形中，冷却剂通道被设计为具有一环绕氢化汽油喷射器24的部分。
脱氢反应器22具有一形成在其中的反应室。从氢化汽油喷射器24喷射的燃料在反应室内被分离成富含氢的气体和脱氢气体，并被引导入与脱氢反应器22连接的管子38。脱氢反应器22通过该管子38与分离器40连通。
正如已经提及的，用于该实施例的氢化汽油是通过将包含在汽油中的甲苯转化为有机氢化物而从普通汽油得到的。因此，对氢化汽油的脱氢将产生富含氢的气体和普通汽油(脱氢燃料)。特别地，甲基环己烷C7H14，一种有机氢化物，通过下述脱氢反应被分离为氢H2和甲苯C7H8…(1)
由方程式(1)给出的脱氢反应是一个吸热反应。
于是，富含氢的气体和普通汽油的混合物从脱氢反应器22供给到分离器40。
分离器40具有通过冷却由脱氢反应器22所供给的热混合物而将其分离为富含氢的气体和脱氢汽油(普通汽油)的能力。与内燃机10类似，分离器40通过循环水冷却。这允许分离器40高效地将该混合物分离为富含氢的气体和脱氢汽油。
在分离器40的底部，有一个储液槽空间，其汇集冷却的并因此液化在那里的脱氢汽油。在该储液槽空间的上方，有一个储汽槽空间，其汇集仍呈蒸汽相态的富含氢的气体。汽油管42连接到分离器40从而连通到储液槽空间。同样地，氢气管44连通到储汽槽空间。
汽油管42连接到汽油缓冲罐。注意，尽管在图1中，氢化汽油箱32远离汽油缓冲罐48，但其配置并不限定于这种布置图。例如，它们可被容纳在单个箱中。
液面传感器58安装到汽油缓冲罐48。汽油液面传感器58提供了一代表汇集在那里的脱氢汽油量的输出。此外，汽油管60连接到汽油缓冲罐48。汽油管60在其通道的一半处具有泵62并且其端部连接到汽油喷射器20。在内燃机的操作过程中，脱氢汽油从汽油缓冲罐48向上泵送并以一定压力供给到汽油喷射器20。
氢气管44连接到氢气缓冲罐64。泵66和减压阀64安装在氢气管44上。富含氢的气体通过泵66在压力下从分离器40供给到氢气缓冲管64。减压阀68防止泵66的输出压力过渡地上升。通过泵66和减压阀68，富含氢的气体可被供给到氢气缓冲罐64而不引起内部压力过渡地上升。
压力传感器70安装在氢气缓冲罐64上。压力传感器70提供了一代表氢气缓冲罐64内部压力的输出。根据压力传感器70的输出，估算氢气缓冲罐64内所汇集的富含氢的气体的量是可能的。
氢气供给管72连接到氢气缓冲罐64。氢气供给管72在其通道的一半处设置有调节器74并且其端部连接到氢气喷射器18。采用这种配置，富含氢的气体以通过调节器74调整后的压力供给到氢气喷射器18，除非富含氢的气体没有汇集在氢气缓冲罐64中。
本实施例的系统设置有一个ECU(电子控制单元)80。该ECU80的功能是控制该实施例的系统。各种传感器包括上述氧传感器26，NOx传感器28，液面传感器58和压力传感器70的输出都提供给ECU80。此外，致动器包括上述泵36，62和66以及喷射器18，20和氢化汽油喷射器24都连接到ECU80。根据传感器的输出而执行常规程序处理，ECU80可合适地驱动各种致动器。
下面根据图2描述该实施例的操作模式。该实施例的系统具有两种类型的模式理论配比燃烧模式和加氢燃烧模式(稀燃模式)。在理论配比燃烧模式中，只有对氢化汽油进行脱氢后得到的汽油(脱氢燃料)被用于内燃机10的运转。在加氢燃烧模式中，同时使用汽油和氢气引起稀燃来使内燃机10运转。
如图2所示，加氢燃烧模式在从怠速到正常转速区间执行。由加氢燃烧模式覆盖的操作条件范围的上限根据脱氢反应器22所能产生的最大氢气量来限定。在超过该上限的较高负荷和较高转速区间中，执行理论配比燃烧模式。由于稀燃，加氢燃烧模式中的操作可改善燃料消费和发动机效率。此外，因为NOx的排放减少了，其可改善排放。
在加氢燃烧模式中，加入的氢气与汽油的比必须适当。但是，如果由脱氢处理得到的氢气和汽油被简单地供给至内燃机10时，所供给的氢气量相对于所供给的汽油量有可能不足。
供给内燃机10的氢气量与相应的汽油量的比应该分别根据由氢气和汽油所产生的热量来确定。优选地，由氢气供给的热量被设定为由汽油供给热量的大约20％。下面描述了怎样的氢气与汽油的摩尔比可实现这种关系。
通过对氢化汽油脱氢得到的每克汽油(LFT-1C)所产生的热量为42.42kJ/g。假定汽油由C7H12组成，由于C7H12的质量为96g/mol，则每摩尔所产生的热量为4072.32kJ/mol。
另一方面，每克氢气所产生的热量为121kJ/g。由于氢气的质量为2g/mol，则每摩尔氢气所产生的热量为242kJ/mol。每摩尔汽油提供的热量(4072.32kJ/mol)的百分之二十为4072.32×0.2814kJ。由于每摩尔氢气所产生的热量为242kJ/mol，则提供这些热量所需的氢气量为814/242＝3.36摩尔。
根据方程式(1)，1摩尔甲基环己烷可产生1摩尔甲苯和3摩尔氢气。正如上文所述，由于普通汽油包含约40％的甲苯，则对普通汽油进行氢化得到一摩尔氢化汽油，包含0.4摩尔的甲基环己烷。因此，对一摩尔的氢化汽油施加脱氢处理的结果是，产生0.4摩尔的甲苯和1.2摩尔的氢气。
假定由氢气供给的热量为由汽油供给的热量的20％，按上文所述，对于1摩尔的汽油将需要3.36摩尔的氢气。因此，氢气的不足量为3.36-1.2＝2.16摩尔。
为了向汽油中加入合适百分比的氢气，有必要对更多量的氢化汽油实施脱氢处理，以便防止氢气的不足。但是，由于脱氢处理不仅产生氢气还产生汽油，因此如果所需的氢气量通过脱氢处理而产生，这将产生过量的汽油。
在该实施例中，在加氢燃烧模式中产生的过量汽油被存储以用于理论配比模式。这对于防止在加氢燃烧模式中产生的过量汽油积聚在系统内是可能的。
图3是在该实施例中使用氢的内燃机执行操作的流程图。首先，在步骤S1中，得到发动机的转速和节气门开度。随后，根据步骤S1中得到的发动机转速和节气门开度，在步骤S2中判定加氢燃烧模式还是理论配比燃烧模式适合于当前的操作条件。
如果在步骤S2中判定加氢燃烧模式是适合的。程序转为步骤S3。在该情形中，为了向内燃机10提供氢气，氢气必须从氢化汽油中产生。因此，氢化汽油从氢化汽油喷射器24喷射到脱氢反应器22。在脱氢反应器22中，氢气和汽油作为脱氢反应的结果而产生。
在下一步骤S4中，根据操作条件的一定量的氢气和汽油从氢气喷射器18和汽油喷射器20供给到内燃机10。被提供的氢气和汽油量根据在步骤S1中得到的发动机转速和节气门的开度计算。可替代地，将被提供的氢气和汽油量也可从图中确定，该图限定了将被供给的氢气和汽油量与发动机转速和节气门开度之间的关系。于是，内燃机10以加氢燃烧模式操作。
在下一步骤S5中，在步骤S3中由脱氢反应产生的并且未提供给内燃机10的过量的汽油被存储在汽油缓冲罐48中。步骤S5之后，程序中止。
如果在步骤S2中判定理论配比燃烧模式是适合的，程序将转为步骤S6。在步骤S6中，停止将氢化汽油喷射到脱氢反应器22。
在下一步骤S7中，存储在汽油缓冲罐48中的汽油被输送至汽油喷射器20以便喷射到内燃机10。于是，内燃机10以理论配比燃烧模式操作。步骤S7之后，程序中止。
在第一实施例中，正如直到目前的描述，内燃机10根据操作条件而以加氢燃烧模式或理论配比燃烧模式操作，并且在加氢燃烧模式过量汽油被存储于汽油缓冲罐48中用于理论配比燃烧模式中。因此，防止过量的汽油积聚在本系统内是可能的。此外，由于脱氢反应在理论配比燃烧模式中不是必须的，该系统的效率可被提高。
第二实施例下面描述本发明的第二实施例。第二实施例与第一实施例的相同点在于加氢燃烧模式中的过量汽油将被用于理论配比燃烧模式。在第二实施例中，在以理论配比燃烧模式的操作过程中，如果汽油缓冲罐48中的汽油液面变得等于或低于某一水平时，氢化汽油将被喷射到脱氢反应器22以产生汽油。
图4是第二实施例中使用氢的内燃机执行操作的流程图。首先，在步骤S11中，得到发动机的转速和节气门开度。随后，根据在步骤S11中得到的发动机转速和节气门开度，在步骤S12中判定加氢燃烧模式还是理论配比燃烧模式适合于当前的操作条件。
如果在步骤S12中判定加氢燃烧模式是适合的，程序转为步骤S13。在该情形中，为了向内燃机10提供氢气，氢气必须从氢化汽油中产生。因此，氢化汽油从氢化汽油喷射器24喷射到脱氢反应器22。在脱氢反应器22中，氢气和汽油作为脱氢反应的结果而产生。
在下一步骤S14中，根据操作条件的一定量的氢气和汽油从氢气喷射器18和汽油喷射器20供给到内燃机10。被提供的氢气和汽油量根据在步骤S11中得到的发动机转速和节气门的开度计算。可替代地，被提供的氢气和汽油量也可从图表中确定，该图表限定了将被供给的氢气和汽油量与发动机转速和节气门开度之间的关系。于是，内燃机10以加氢燃烧模式操作。
在下一步骤S15中，在步骤S13中由脱氢反应产生的并且未提供给内燃机10的过量的汽油被存储在汽油缓冲罐48中。步骤S15之后，程序中止。
如果在步骤S12中判定理论配比燃烧模式是适合的，程序将转为步骤S16。在步骤S16中，停止将氢化汽油喷射到脱氢反应器22。
在下一步骤S17中，存储在汽油缓冲罐48中的汽油被输送至汽油喷射器20以便喷射到内燃机10。于是，内燃机10以理论配比燃烧模式操作。
在下一步骤S18中，判定残留在汽油缓冲罐48中的汽油液面是否高于某一临界液面。如果在步骤S18中判定残留的汽油液面等于或低于该临界液面，程序转为步骤S19。如果汽油液面高于预定液面，程序中止。在步骤S18中判定用的临界液面被设定为能防止汽油缓冲罐48中的汽油的不足。该临界液面可根据发动机转速和在该转速时的最大负荷改变。
在步骤S19中，由于汽油缓冲罐48中的汽油因为在理论配比燃烧模式中的消耗而可能不足，氢化汽油从氢化汽油喷射器24喷射到脱氢反应器22中，以便通过脱氢处理产生汽油和氢气。所产生的汽油被输送至汽油缓冲罐48以用于理论配比燃烧模式。
在下一步骤S20中，在步骤S19中通过脱氢反应产生的氢气被存储于氢气缓冲罐64中。在理论配比燃烧模式中，由于氢气通常不被用于操作，通过脱氢处理产生的氢气被全部存储于氢气缓冲罐64中。存储于氢气缓冲罐64的氢气将被用于加氢燃烧模式操作。
在下一步骤S21中，判定存储于氢气缓冲罐中的氢气量是否小于某一临界量。如果氢气量等于或大于该临界量，程序转为步骤S22，在那里，氢气从氢气喷射器18喷射到内燃机10，以便防止氢气缓冲罐64为氢气所饱和。如果在步骤S21中判定氢气量小于该临界量，程序中止。
在第二实施例中，正如直到目前的描述，如果残留在汽油缓冲罐48中的汽油液面降到或低于某一液面而内燃机10以理论配比燃烧模式操作时，氢化汽油被喷射到脱氢反应器22以产生汽油。因此，防止汽油缓冲罐48中的汽油的不足是可能的。
此外，当在以理论配比燃烧模式的操作过程中执行脱氢反应时，如果氢气缓冲罐64中的氢气量达到或超过某一量，氢气将从氢气喷射器18喷射。因此，防止氢气缓冲罐64为氢气所饱和是可能的。
第三实施例下面描述本发明的第三实施例。第三实施例与第一实施例的相同点在于加氢燃烧模式中的过量汽油将被用于理论配比燃烧模式。然而，在第三实施例中，在以加氢燃烧模式的操作过程中，如果残留在汽油缓冲罐48中的汽油液面达到或超过某一水平时，将暂时地执行理论配比燃烧模式，而不通过脱氢反应产生氢气。
图5是第三实施例中使用氢的内燃机执行操作的流程图。首先，在步骤S21中，得到发动机的转速和节气门开度。随后，根据在步骤S21中得到的发动机转速和节气门开度，在步骤S22中判定加氢燃烧模式还是理论配比燃烧模式适合于当前的操作条件。
如果在步骤S22中判定加氢燃烧模式是适合的，程序转为步骤S23。在该情形中，为了向内燃机10提供氢气，氢气必须从氢化汽油中产生。因此，氢化汽油从氢化汽油喷射器24喷射到脱氢反应器22。在脱氢反应器22中，氢气和汽油作为脱氢反应的结果而产生。
在下一步骤S24中，根据操作条件的一定量的氢气和汽油从氢气喷射器18和汽油喷射器20供给到内燃机10。根据在步骤S21中得到的发动机转速和节气门的开度计算被提供的氢气和汽油量。可替代地，将被提供的氢气和汽油量也可从一图中确定，该图表限定了将被供给的氢气和汽油量与发动机转速和节气门开度之间的关系。于是，内燃机10以加氢燃烧模式操作。
在下一步骤S25中，在步骤S23中由脱氢反应产生的并且未提供给内燃机10的过量的汽油被存储在汽油缓冲罐48中。
在下一步骤S26中，判定存储在汽油缓冲罐48中的汽油液面是否不低于某一临界液面。如果在步骤S26中判定汽油液面不低于该临界液面，程序转为步骤S27。在该情形中，由于大量汽油存储于汽油缓冲罐48中，如果脱氢反应持续的话，汽油缓冲罐48将为汽油所饱和。因此在步骤S27中通过使氢化汽油喷射器24停止喷射燃料，可终止氢气的产生。
在下一步骤S28中，内燃机10以理论配比燃烧模式操作。存储于汽油缓冲罐48中的汽油从汽油喷射器20喷出。由于汽油缓冲罐48中的汽油被消耗，防止汽油缓冲罐48的饱和是可能的。注意在步骤S28中，尽管加氢燃烧模式被判定是适合于当前操作条件的，但操作暂时地采用理论配比燃烧模式以便消耗汽油缓冲罐48中的汽油。
在步骤S28之后，程序返回到步骤S26以便监测残留在汽油缓冲罐48中的汽油液面。
如果在步骤S22中判定理论配比燃烧模式是适合的，程序将转为步骤S29。在步骤S29中，停止将氢化汽油喷射到脱氢反应器22。
在下一步骤S30中，存储在汽油缓冲罐48中的汽油被输送至汽油喷射器20以便喷射到内燃机10。于是，内燃机10以理论配比燃烧模式操作。
在下一步骤S31中，判定存储于汽油缓冲罐48中的汽油液面是否高于某一临界液面。如果在步骤S31中判定汽油液面等于或低于该临界液面，程序转为步骤S32。如果汽油液面高于预定液面，程序中止。
在步骤S32中，由于汽油缓冲罐48中的汽油因为在理论配比燃烧模式中的消耗而可能不足，氢化汽油从氢化汽油喷射器24喷射到脱氢反应器22中，以便通过脱氢处理产生汽油和氢气。所产生的汽油被输送至汽油缓冲罐48以用于理论配比燃烧模式。
在下一步骤S33中，在步骤S32中通过脱氢反应产生的氢气被存储于氢气缓冲罐64中。在理论配比燃烧模式中，由于氢气通常不被用于操作，通过脱氢处理产生的氢气被全部存储于氢气缓冲罐64中。
在下一步骤S34中，判定存储于氢气缓冲罐64中的氢气量是否小于某一临界量。如果氢气量等于或大于该临界量，程序转为步骤S35，在那里，氢气从氢气喷射器18喷射到内燃机10，以便防止氢气缓冲罐64为氢气所饱和。如果在步骤S34中判定氢气量小于该临界量，程序中止。
在第三实施例中，正如直到目前的描述，如果残留在汽油缓冲罐48中的汽油液面达到或超过某一液面而内燃机10以加氢燃烧模式操作时，停止向脱氢反应器22喷射氢化汽油。由于脱氢反应进一步产生的汽油得到抑制，防止汽油缓冲罐48为汽油所饱和是可能的。
此外，如果在加氢燃烧模式中停止脱氢反应，内燃机10将暂时地以理论配比燃烧模式操作。在该情形中，内燃机10可使用存储于汽油缓冲罐48中的汽油操作。
第四实施例下面描述本发明的第四实施例。该实施例的系统设置有氢气发动机模式，在该模式中，内燃机10仅通过氢气运转。
在怠速或低负荷低转速的操作过程中，由于从汽油喷射器20喷射的汽油量对燃料效率的影响相对地大一些，应优选抑制喷射的汽油量。
在第四实施例的怠速或低负荷低转速的操作过程中，由于从汽油喷射器20喷射汽油被中止(氢气发动机模式)，内燃机10将完全依赖从氢气喷射器18喷射的氢气。这不仅使得抑制燃料效率的恶化成为了可能，还改善了排放。
图6示意性示出了第四实施例的系统的操作模式。如图6所示，第四实施例不仅设置有与第一实施例相同的理论配比燃烧模式和加氢燃烧模式，还设置有氢气发动机模式，在该模式中，内燃机10在怠速或低负荷低转速的操作过程中仅靠氢气运转。
图7是第四实施例中使用氢的内燃机执行操作的流程图。首先，在步骤S41中，得到发动机的转速和节气门开度。随后，根据在步骤S41中得到的发动机转速和节气门开度，在步骤S42中判定加氢燃烧模式，理论配比燃烧模式还是氢气发动机模式适合于当前的操作条件。
如果在步骤S42中判定氢气发动机模式是合适的，程序转为步骤S43。在步骤S43中，判定残留在氢气缓冲罐64中的氢气量是否不小于一个临界量。如果在步骤S43中判定氢气量不小于该临界量，程序转为步骤S44。另一方面，如果氢气量小于该临界量，程序转为步骤S45并且在那里以加氢燃烧模式执行操作。
在步骤S44中，停止从氢化汽油喷射器24喷射燃料以抑制氢气的产生。这是因为在氢气发动机模式中排气温度不是那么高，以致与很难促进脱氢反应。
同样在步骤S44中，停止从汽油喷射器20喷射汽油。在氢气发动机模式中，内燃机10以氢气缓冲罐64供给的氢气和氢气喷射器18喷射的氢气来运转。
如果残留在氢气缓冲罐64中的氢气量被判定小于S43中的下限，程序转为步骤S46，如果在步骤S42中判定加氢燃烧模式是合适的话，也将执行该步骤。
如果在步骤S42中判定加氢燃烧模式是合适的，程序将转为步骤S45。在该情形中，为了向内燃机10提供氢气，氢气必须从氢化汽油中产生。因此，氢化汽油从氢化汽油喷射器24喷射到脱氢反应器22。在脱氢反应器22中，氢气和汽油作为脱氢反应的结果而产生。
在下一步骤S46中，根据操作条件的一定量的氢气和汽油从氢气喷射器18和汽油喷射器20供给到内燃机10。根据在步骤S41中得到的发动机转速和节气门的开度计算被提供的氢气和汽油量。可替代地，被提供的氢气和汽油量也可从一图表中确定，该图表限定了供给的氢气和汽油量与发动机转速和节气门开度之间的关系。于是，内燃机10以加氢燃烧模式操作。
在下一步骤S47中，在步骤S45中由脱氢反应产生的并且未提供给内燃机10的过量的汽油被存储在汽油缓冲罐48中。
在下一步骤S48中，判定存储在汽油缓冲罐48中的汽油液面是否不低于某一临界液面。如果在步骤S48中判定汽油液面不低于该临界液面，程序转为步骤S49。在该情形中，由于大量汽油存储于汽油缓冲罐48中，如果脱氢反应持续的话，汽油缓冲罐48将为汽油所饱和。因此在步骤S49中通过使氢化汽油喷射器24停止喷射燃料，可抑制氢气的产生。
在下一步骤S50中，内燃机10以理论配比燃烧模式操作。存储于汽油缓冲罐48中的汽油从汽油喷射器20喷出。由于汽油缓冲罐48中的汽油被消耗，防止汽油缓冲罐48的饱和是可能的。注意在步骤S50中，尽管加氢燃烧模式被判定是适合于当前操作条件的，但操作暂时地采用理论配比燃烧模式以便消耗汽油缓冲罐48中的汽油。
在步骤S50之后，程序返回到步骤S48以便监测残留在汽油缓冲罐48中的汽油液面。
如果在步骤S42中判定理论配比燃烧模式是适合的，程序将转为步骤S51。在步骤S51中，停止将氢化汽油喷射到脱氢反应器22。
在下一步骤S52中，存储在汽油缓冲罐48中的汽油被输送至汽油喷射器20以便喷射到内燃机10。于是，内燃机10以理论配比燃烧模式操作。
在下一步骤S53中，判定存储于汽油缓冲罐48中的汽油液面是否高于某一临界液面。如果在步骤S53中判定汽油液面等于或低于该临界液面，程序转为步骤S54。如果汽油液面高于预定液面，程序中止。
在步骤S54中，由于汽油缓冲罐48中的汽油因为在理论配比燃烧模式中的消耗而可能不足，氢化汽油从氢化汽油喷射器24喷射到脱氢反应器22中，以便通过脱氢处理产生汽油和氢气。所产生的汽油被输送至汽油缓冲罐48以用于理论配比燃烧模式。
在下一步骤S55中，在步骤S54中通过脱氢反应产生的氢气被存储于氢气缓冲罐64中。在理论配比燃烧模式中，由于氢气通常不被用于操作，通过脱氢处理产生的氢气被全部存储于氢气缓冲罐64中。
在下一步骤S56中，判定存储于氢气缓冲罐64中的氢气量是否小于某一临界量。如果氢气量等于或大于该临界量，程序转为步骤S57，在那里，氢气从氢气喷射器18喷射到内燃机10，以便防止氢气缓冲罐64为氢气所饱和。如果在步骤S56中判定氢气量小于该临界量，程序中止。
正如直到目前的描述，在第四实施例的怠速或低负荷低转速的操作过程中，汽油喷射器20停止喷射汽油，以便内燃机10以从氢气喷射器18喷射的氢气来运转。这使得改善燃料效率和排放成为了可能。
在到此为止所描述的每一实施例中，本发明被应用于单燃料系统，在那里，只有氢化汽油作为燃料被供给并被分离为氢气和汽油，以用于喷射到内燃机10。不用说，本发明也可应用于双燃料系统，在那里，甲基环己烷和普通汽油作为两种燃料被供给，并且从甲基环己烷和普通汽油中分离的氢气被喷射到内燃机10。
上述本发明的主要优点概括如下
如果有机含氢化物的燃料被分离为氢气和脱氢燃料，并用于供给到内燃机，由于脱氢燃料的产生多于消耗，将产生过量的脱氢燃料。根据本发明第一方面，内燃机的操作在第一模式和第二模式之间转换，其中在第一模式中，氢气和脱氢燃料都被供给到内燃机，而在第二模式中，只有脱氢燃料被供给到内燃机。因此，过量的脱氢燃料可在第二模式中被消耗，这使得防止过量的脱氢燃料汇集在系统中成为了可能。此外，如果在第一模式中优先使用氢气，将可能发生稀燃燃烧。于是，这有可能改善燃料耗费和发动机效率以及排放性能。
根据本发明第二方面，被分离的脱氢燃料在第一模式中被存储于第一存储装置，并且存储于第一存储装置的脱氢燃料在第二模式中被供给到内燃机。于是，过量的脱氢燃料可在第二模式中被消耗。
根据本发明第三方面，如果存储在第一存储装置中的脱氢燃料量降至或低于一预定液面时，通过在第三模式中执行脱氢反应可产生脱氢燃料。这可防止存储在第一存储装置中的脱氢燃料的量变得太少。此外，由于在第二模式中通过脱氢反应而分离的氢气被存储于第二存储装置，当操作转换为第一模式时，该存储的氢气可被供给到内燃机。
根据本发明第四方面，如果在第二模式中，存储于第二存储装置的氢气量达到或超过一预定水平时，存储于第二存储装置的氢气被供给到内燃机。这可防止第一存储装置为氢气所饱和。
根据本发明第五方面，如果在第一模式中，存储在第一存储装置中的脱氢燃料的量达到或超过一预定液面时，脱氢反应停止并且存储在第一存储装置中的脱氢燃料被供给到内燃机。这可防止第一存储装置为脱氢燃料所饱和。
根据本发明第六方面，第一模式为理论配比燃烧模式，第二模式为稀薄燃烧模式。在理论配比燃烧模式中，高负荷和高转速操作是可能的。稀薄燃烧模式不仅能改善燃料消耗和发动机效率，而且能抑制NOx的排放。
根据本发明第七方面，根据内燃机的操作条件和存储在第一存储装置中的脱氢燃料量或存储在第二存储装置中的氢气量，内燃机的操作可在第一至第三模式之间转换。因此同时保持存储于第一和第二存储装置中合适的脱氢燃料量和氢气量而根据操作条件来执行最佳的操作是可能的。
根据本发明第八方面，在第二模式中被分离的脱氢燃料存储于第一存储装置中并且存储在第一存储装置中的脱氢燃料在第三模式中被供给到内燃机。因此，过量的脱氢燃料可消耗在第三模式中。
根据本发明第九方面，如果存储在第一存储装置中的脱氢燃料的量降至或低于一预定液面时，通过在第三模式中执行脱氢反应可产生脱氢燃料。这可防止存储在第一存储装置中的脱氢燃料的量变得太少。此外，由于在第三模式中通过脱氢反应而分离的氢气被存储于第二存储装置，当操作转换为第二模式时，该存储的氢气可被供给到内燃机。
根据本发明第十方面，如果在第三模式中，存储于第二存储装置的氢气量达到或超过一预定水平时，存储于第二存储装置的氢气被供给到内燃机。这可防止第二存储装置为氢气所饱和。
根据本发明第十一方面，如果在第二模式中，存储在第一存储装置中的脱氢燃料的量达到或超过一预定液面时，脱氢反应停止并且存储在第一存储装置中的脱氢燃料被供给到内燃机。这可防止第一存储装置为脱氢燃料所饱和。
而且，本发明并不限定于这些实施例，相反，在不偏离本发明范围的前提下，可作出各种变化和改进。
本申请依照巴黎公约的优先权是申请号为No.2004-116608，申请日为2004年4月12日的日本专利申请，其公开的全部内容，包括说明书，权利要求书，附图以及摘要，在此被引为参考。
权利要求
1.一种使用氢的内燃机，包括脱氢装置，用于执行脱氢反应以便将有机含氢化物的燃料分离为氢气和脱氢燃料；供给装置，用于将分离的氢气和脱氢燃料分别供给到内燃机；和控制装置，用于使内燃机的操作在第一模式和第二模式之间转换，其中在第一模式中，氢气和脱氢燃料都被供给到内燃机，而在第二模式中，只有脱氢燃料被供给到内燃机，其中，第一模式为理论配比燃烧模式，而第二模式为稀薄燃烧模式。
2.根据权利要求1所述的使用氢的内燃机，其中脱氢装置在第一模式中执行脱氢反应；设置第一存储装置以便存储在第一模式中分离的脱氢燃料；和在第二模式中，存储于第一存储装置中的脱氢燃料被供给到内燃机。
3.根据权利要求2所述的使用氢的内燃机，其中如果存储在第一存储装置中的脱氢燃料的量降至或低于一预定水平时，脱氢装置在第二模式中执行脱氢反应；并且设置第二存储装置以便存储在第二模式中由脱氢反应分离的氢气。
4.根据权利要求3所述的使用氢的内燃机，其中，如果在第二模式中，存储在第二存储装置中的氢气量达到或超过一预定水平时，存储于第二存储装置的氢气将被供给到内燃机。
5.根据权利要求2至4中任意一项所述的使用氢的内燃机，其中，如果在第一模式中，存储在第一存储装置中的脱氢燃料的量达到或超过一预定水平时，脱氢反应停止并且存储在第一存储装置中的脱氢燃料被供给到内燃机。
6.一种使用氢的内燃机，包括脱氢装置，用于执行脱氢反应以便将有机含氢化物的燃料分离为氢气和脱氢燃料；供给装置，用于将分离的氢气和脱氢燃料分别供给到内燃机；和控制装置，用于使内燃机的操作在第一模式，第二模式以及第三模式之间转换，其中在第一模式中，只有氢气被供给到内燃机，在第二模式中，氢气和脱氢燃料都被供给到内燃机，而在第三模式中，只有脱氢燃料被供给到内燃机；第一存储装置，用于存储被分离的脱氢燃料；第二存储装置，用于存储被分离的氢气；其中，控制装置根据内燃机的操作条件和存储在第一存储装置中的脱氢燃料量或存储在第二存储装置中的氢气量，使内燃机的操作在第一至第三模式之间转换。
7.根据权利要求6所述的使用氢的内燃机，其中脱氢装置在第二模式中执行脱氢反应；第一存储装置存储在第二模式中通过脱氢反应而分离的脱氢燃料；在第三模式中，存储于第一存储装置中的脱氢燃料被供给到内燃机。
8.根据权利要求7所述的使用氢的内燃机，其中如果存储在第一存储装置中的脱氢燃料的量降至或低于一预定水平，脱氢装置在第三模式中执行脱氢反应；和第二存储装置存储在第三模式中通过脱氢反应而分离的氢气。
9.根据权利要求8所述的使用氢的内燃机，其中，如果存储在第二存储装置中的氢气量达到或超过一预定水平，存储于第二存储装置的氢气将被供给到内燃机。
10.根据权利要求7至9中任意一项所述的使用氢的内燃机，其中，如果存储在第二存储装置中的脱氢燃料的量达到或超过一预定水平，脱氢反应停止并且存储在第二存储装置中的脱氢燃料被供给到内燃机。
全文摘要
一种内燃机系统，包括脱氢反应器，其执行脱氢反应以便将有机含氢化物的燃料分离为氢气和脱氢燃料；供给装置，其将分离的氢气和脱氢燃料分别供给到内燃机；和控制装置，用于使内燃机的操作在第一模式和第二模式之间转换，其中在第一模式中，氢气和脱氢燃料都被供给到内燃机，而在第二模式中，只有脱氢燃料被供给到内燃机。
文档编号F02M33/00GK1683775SQ20051006500
公开日2005年10月19日 申请日期2005年4月12日 优先权日2004年4月12日
发明者品川知广, 奥村猛 申请人:丰田自动车株式会社