氢燃料四冲程内燃机的制作方法

本发明一般性地涉及四冲程内燃机，具体而言，是涉及提高了效率的、低污染和高扭矩的氢燃料四冲程内燃机、以及涉及一种用于运行该内燃机的方法。

背景技术：

1、四冲程内燃机是公知的，并且通常包括：发动机外壳；曲轴，其绕曲轴轴线可旋转；一个或多个气缸，其布置在所述发动机外壳内部；活塞，其布置在各个气缸内部，在远离所述曲轴的上止点(top dead center，tdc)位置与接近所述曲轴的下止点(bottom deadcenter，bdc)位置之间沿着往复轴线可往复运动。往复式运动的活塞作用连接(operatively connected)于曲轴，以致其使得曲轴产生旋转运动。此外，该发动机还包括：燃烧室，其在发动机外壳和与所述曲轴相对的活塞头部之间界定于所述气缸内；每个气缸至少一个进气门和一个排气门；用于将燃料供给到所述燃烧室中的装置；每个气缸至少一个火花塞(如果发动机是基于燃料空气混合物的火花点火)；以及，通常包括发动机控制单元，其用于控制发动机的运行。

2、燃料直喷式四冲程发动机以具有四个连续冲程的循环和重复循环操作运行，所述冲程如下：

3、进气冲程：活塞从上止点开始向下移动，到下止点，进气门打开，空气进入燃烧室。

4、压缩冲程：活塞从下止点移回到上止点，并压缩气缸内的空气，燃烧室内的压力和温度都升高。

5、燃烧冲程(做功冲程)：通常，在压缩冲程的末尾(在活塞到达上止点之前)到燃烧冲程的早期，燃料喷射器开始将燃料喷射到燃烧室内。在某时间点，燃料自发地自动点火(压缩点火)或者由来自火花塞的火花进行点火(火花点火)。燃料-空气混合物燃烧便在活塞头部上产生压力并向下推动活塞，从而将能量传递到旋转的曲轴。

6、排气冲程：在活塞抵达气缸底部(下止点)之后，活塞开始向上移动，排气门打开，活塞的扫气作用使废气离开燃烧室，去往排气系统并最终到达大气。

7、这种发动机一直以来主要是利用液态或气态烃燃料运行，但是，鉴于有关环境考虑在所不希望之碳足迹方面的更严格的规定，氢似乎是可避免碳氧化物和未燃烧的烃一起释放的一种明显且巧妙的解决方案。

8、然而，用氢作为燃料来替代烃燃料，却并不容易。即使与貌似类似的气态烃燃料(诸如甲烷或丙烷)相比，氢也还具有许多明显不同于烃燃料的特性。

9、第一，在化学燃料当中，氢具有最高的质量能量比，并且，在质量能量消耗方面，其优于常规汽油燃料约3倍，优于乙醇5至6倍，优于甲烷和丙烷2.5倍。

10、第二，氢在发动机燃烧室中具有非常高的燃烧速度或火焰速度，其比汽油高约6倍。在化学计量的空气燃料比下，氢火焰速度比汽油火焰速度高(快)近一个数量级。

11、第三，与其它燃料相比，氢具有宽的可燃性极限，例如相比于在汽油的情况下在空气中为1.4至2.3体积％，在25℃和1巴下为4至75体积％。

12、第四，氢具有非常低的点火能(量)。氢-空气混合物的最小点火能(量)仅为0.017mj，而其它可燃气体(诸如汽油、甲烷或丙烷)的点火能(量)则通常为0.1mj量级。

13、第五，与汽油的约350℃相比，氢却是具有约585℃的较高的自动点火温度。尽管其点火能(量)低，但这使得在没有附加点火源的情况下仅仅基于热来点燃氢-空气混合物是困难的。

14、第六，氢具有非常高的分子扩散率，这意味着，其分散到空气中的能力显著大于汽油。

15、第七，与汽油的2.0mm相比，氢具有约0.6mm的小淬熄距离。因此，离开燃烧火焰熄灭处内部气缸壁的距离明显更小，这可能不利地影响气缸壁上的润滑剂膜并增加了回火的风险。

16、第八，氢对于常用金属(诸如铁和钢)的机械特性具有众所周知的不期望的影响，通常称为氢的脆化效应，其导致这些金属的延展性和断裂时的真实应力降低。

17、尽管其中至少有一些特性初看起来似乎是期望的和有利的，但它们明显加起来会使得用氢对烃燃料的貌似容易解决的替代面临挑战。

18、真实情况更是如此，因为其中有一些特性(即前六个特性)会导致显著更高的燃烧温度，而这又增多了燃烧过程中所不希望的nox的产生。此外，更高的燃烧温度结合于更短淬熄距离和脆化效应，进一步增加了用氢替代烃燃料的挑战。

技术实现思路

1、技术问题

2、本发明的目的是，提供一种四冲程内燃机，其特别配置为使用氢作为燃料，能够实现更高效的运行，而不妥协背弃其作为产生动力的环境清洁之解决方案(特别是关于nox的排放)的巨大潜力。另一目的是，提供一种用于运行这种发动机的相应方法，以增强其性能和其环保优势。

3、发明概述

4、为了克服至少一些上述问题以及实现所述目的，本发明在第一方面提出了一种火花往复式四冲程内燃氢燃料发动机，包括：发动机外壳；曲轴，其绕曲轴轴线可旋转；气缸，其布置在所述发动机外壳内部；活塞，其布置在所述气缸内部，在远离所述曲轴的上止点(tdc)位置与接近所述曲轴的下止点(bdc)位置之间沿着往复轴线可往复运动，并且作用连接于曲轴，以致往复式运动的活塞能使曲轴产生旋转运动；燃烧室，其在发动机外壳和与所述曲轴相对的活塞头部之间界定于所述气缸内；进气门；排气门；氢喷射器，其被配置为将氢直接喷射到所述燃烧室中；水喷射器，其被配置为将水直接喷射到所述燃烧室中；火花塞或电热塞；以及发动机控制单元，其被配置为控制氢喷射和水喷射的正时(timing，时机或时间)和量，其中，所述发动机控制单元配置为：在压缩冲程期间在tdc之前180°至100°的第三正时将第三量的氢喷射到燃烧室中，在压缩冲程期间在tdc之前20°至tdc之后20°的第一正时将第一量的氢喷射到燃烧室中，以及，在压缩冲程期间在tdc之前110°至90°、优选为从小于110°至大于90°(诸如107.5°至92.5°或甚至105°至95°)的第二正时将第二量的(液态或气态)的水喷射到燃烧室中。

5、作为本文中的初步注释，序数词“第一”、“第二”、“第三”和“第四”仅用于限定术语“量”和“正时”，并明确对应地将所喷射之材料(即氢或水)的相应“量”联系到其喷射“正时”。那么也就是说，在“第一正时”喷射“第一量”，在“第二正时”喷射“第二量”，等等。因此，这些序数词并不表示性质、大小、重要性、时间顺序等方面的任何其它相互关系。因而，每个循环的总氢量就是在第一正时和第三正时喷射的第一量的氢与第三量的氢之总和，而每个循环喷射的总水量等于在第二正时喷射的第二量的水，或者，在下文进一步解释的一些有利实施例中，是等于在第二正时和第四正时喷射的第二量的水与第四量的水之总和。

6、发明人已经发现，在压缩冲程期间在tdc之前约110°至约90°的正时喷射液态水可以克服由于使用氢及其上述特定特性而产生的一些问题。事实上，将一定量的水引入燃烧室中不仅可以在压缩期间降低燃烧室内的温度，而且还可以在燃烧期间减小温度，从而减少不期望的nox的产生。实际看来，甚至早在火花塞或电热塞触发燃烧之前、甚至早在喷射第一量的氢之前良久，喷射水就可以至少在一定程度上控制氢的高质量能量比和非常高燃烧速度的结果。然而，这样相对较早地将水喷射到燃烧室中，不仅在至少部分地改良氢燃烧方面是有益的，而且还可以以能量有利的方式进行。实际上，在tdc之前约110°至约90°的正时，气缸内的压力(和温度)仍然相对较低，这意味着，在该阶段喷射水既不需要高压喷射器，也不需要任何昂贵且能量密集(energy-intensive)的高压泵。因此，水通常在远低于150℃、优选低于约100℃(诸如低于70℃、低于50℃)的温度下或者甚至在大约环境温度下以液态形式喷射。

7、一般而言，当将水喷射到内燃机的燃烧室中时，存在以下风险：水不能足够快地蒸发并沉积在气缸壁上，从而损害所述气缸壁上润滑剂膜的完整性并导致润滑剂稀释，这在氢燃料发动机中由于上文所述的其脆化效应和其小的淬熄距离而更加有害。发明人发现，通过在喷射(第二量的)液态水之前的时间喷射相对少量(第三量)的氢，可以很大程度上控制或甚至防止水沉积的这种负面影响。据认为，该有利效果是由于上文所述的氢的非常高的分子扩散率之故，这便促进了水的分散，并从而改善了其蒸发，这样又降低了在气缸壁上发生有害沉积的风险。为了获得所述效果，可以在压缩冲程期间在tdc之前180°至100°的(第三)正时，最优选地在开始喷射第二量的水之前最晚时间，喷射(第三量的)氢。

8、还已经确定，仅用相对较少量的氢作为第三量，就可以获得氢对于水喷射的有利分散效果。实际上，有利的是，所述发动机控制单元配置为：将第三量的氢控制为占总氢量的5至50重量％、优选10至45重量％并且特别是15至40重量％，所述总氢量(每个循环)是第三量的氢与第一量的氢之总和。

9、尽管早期喷射有效量的水很可能因为此时气缸内温度太低以致不能确保水的蒸发而导致润滑剂膜破裂或润滑剂稀释，但是发明人意想不到地发现：若按照本发明进行操作运行，这根本就无碍于在这些早期正时的任何水喷射。实际上，由于第三量的氢的早期喷射和它的源于其非常高的分子扩散率的分散效应，甚至可以在压缩冲程期间非常早地执行相对少量的水的喷射，从而允许将附加量的水引入到燃烧室中，而无润滑问题风险。因此，在一些有利的实施例中，发动机控制单元配置为：在压缩冲程期间在tdc之前180°至110°的第四正时进一步将第四量的水喷射到燃烧室中。第三量的氢可在喷射第四量的水之前、同时或之后开始，这意味着，第四量的水可以与第三量的氢的喷射在时间上有重叠。有利的是，在第四正时喷射所述第四量的水，该第四正时为最早与第三量的氢的喷射同时。

10、优选地，所述发动机控制单元配置为：将第四量的水控制为占总水量的0.5至5重量％、优选0.75至4重量％、特别是0.85至3.0重量％，对于每个循环，所述总水量是第二量的水与第四量的水之总和。

11、除了上文已经提到的本发明的有利特征和效果之外，其又一主要益处是：添加水的存在减少了爆震，这便又允许内燃机以下述的λ值(即空气燃料当量比)运行，该λ值显著低于通常可用于氢燃料内燃机的λ值。实际上，尤其鉴于氢的高质量能量比和非常高燃烧速度等，出于发动机温度控制和nox还原之故，氢燃料发动机通常必须在极贫条件下运行。因此，传统的氢燃料发动机无法以高的制动热效率(例如同柴油发动机中所知的那样高的制动热效率)运行。

12、现在，本发明的这种有效水喷射，无论是在第二正时仅喷射第二量的水还是在第四正时附加早期喷射第四量的水，都能实现以下述的λ值运行，该λ值与传统氢燃料内燃机中的λ值相比，得以显著减小，从而允许以更高效率运行。因此，发动机控制单元通常配置为：控制每个循环的总氢量和每个循环的液态水总量(如果没有喷射第四量的水，则后者仅为所述第二量的水，否则为第二量的水与第四量的水之总和)，以获得1.5与2.5之间、优选1.6与2.4之间、更优选1.7与2.3之间的λ值。

13、由此，本发明的这种有效水喷射还消除了或至少减少了对于附加的昂贵和复杂设备(诸如废气再循环(egr)阀或先进的涡轮压缩机)的需要。

14、还已经发现，水与氢的质量比令人意想不到地基本上与发动机的速度无关，并且本发明的益处(诸如更高效的运行、更低的nox产生、更低的发动机应力等)不仅可以对于只以特定的每分钟转数值运行的固定发动机(stationary engine)获得，诸如在发电机(generator)中，而且可以适用于任何其它类型的应用，诸如特别是车辆发动机。有利地，发动机控制单元配置为：控制总氢量和总水量，以获得1.0至2.0之间、优选1.3至1.9之间、更优选1.5至1.7之间(如约1.6)的水与氢的质量比。

15、在根据本发明的火花往复式四冲程内燃氢燃料发动机的一些特别有利的实施例中，第一正时是在压缩冲程期间在tdc之前15°至tdc之后15°，和/或第二正时是压缩冲程期间在上止点(tdc)之前105°至95°、优选大约100°，和/或喷射氢的第三正时是压缩冲程期间在tdc之前175°至120°，和/或如果适用，第四正时是压缩冲程期间在tdc之前175°至120°。

16、添加液态水，其转变为气体，可以降低温度，这样又允许提高实际压缩比，即内燃机中气缸和燃烧室的容积在它们的最大值和最小值时的比率。在优选的火花往复式四冲程内燃氢燃料发动机中，发动机的实际压缩比在12.9:1和17:1之间，优选在13.4:1和16.5:1之间，更优选在13.9和16之间。

17、在第二方面，本发明类似地提出了一种运行火花往复式四冲程内燃氢燃料发动机(优选为根据第一方面的发动机)的方法，该发动机包括：发动机外壳；曲轴，其绕曲轴轴线可旋转；气缸，其布置在所述发动机外壳内部；活塞，其布置在所述气缸内部，在远离所述曲轴的上止点(tdc)位置与接近所述曲轴的下止点(bdc)位置之间沿着往复轴线可往复运动，并且作用连接于曲轴，以致往复式运动的活塞能使曲轴产生旋转运动；燃烧室，其在发动机外壳和与所述曲轴相对的活塞头部之间界定于所述气缸内；进气门；排气门；氢喷射器，其被配置为将氢直接喷射到所述燃烧室中；水喷射器，其被配置为将水直接喷射到所述燃烧室中；火花塞或电热塞；以及发动机控制单元，其被配置为实现此方法的步骤，所述方法在每个四冲程循环包括以下步骤：

18、a)在压缩冲程期间在tdc之前180°至100°的第三正时通过氢喷射器将第三量的氢喷射到燃烧室中；

19、b)在压缩冲程期间在tdc之前20°至tdc之后20°的第一正时通过氢喷射器将第一量的氢喷射到燃烧室中；以及

20、c)在压缩冲程期间在tdc之前110°至90°、优选小于110°至大于90°(诸如107.5°至92.5°或甚至105°至95°)的第二正时通过水喷射器将第二量的水喷射到燃烧室中。

21、在本发明的运行火花往复式四冲程内燃氢燃料发动机的方法中，步骤a)中的第三量的氢优选地被控制为占总氢量的5至50重量％，所述总氢量是第三量的氢与第一量的氢之总和。

22、有利地，该方法还包括以下步骤：

23、d)在压缩冲程期间在tdc之前180°至110°的第四正时通过水喷射器将第四量的水喷射到燃烧室中。

24、第四量的水优选地被控制为占总水量的0.5至5重量％，其中，所述总水量是第二量的水与第四量的水之总和。

25、在一些特别有利的实施例中，对总氢量和第二量的水或总水量进行控制，以获得1.5至2.5之间、优选1.6至2.4之间、更优选1.7至2.3之间的λ值，该λ值是空气燃料当量比。

26、在运行火花往复式四冲程内燃氢燃料发动机的方法中，优选地控制总氢量和总水量，以获得1.0至2.0之间、更优选1.3至1.9之间、最优选1.5至1.7之间(诸如特别是大约1.6)的水与氢的质量比。

27、所述运行火花往复式四冲程内燃氢燃料发动机的方法可以按下述方式进行控制，即：在步骤a)中，将喷射氢的第三正时设定为在压缩冲程期间在tdc之前180°至100°，优选175°至120°，和/或在步骤b)中，将第一正时设定为在压缩冲程期间在tdc之前15°至tdc之后15°，和/或在步骤c)中，将第二正时设定为在压缩冲程期间在上止点(tdc)之前105°至95°、优选大约100°，和/或如果适用，将第四正时设定为在压缩冲程期间在tdc之前180°至110°，优选175°至120°。

28、内燃机的正时，更具体地如本文所述及的喷射正时，通常是由曲轴的角度来表明，其表示出关于往复式运动的活塞在发动机气缸内的位置，若需要，相对于操作循环的有关冲程进行表示。表达辞“上止点”或“tdc”和“下止点”或“bdc”是在内燃机领域中公知的表达方式，并且是指沿着往复轴线在气缸内往复式运动的活塞(或者更具体地说是活塞的顶部)的两端位置。上止点是活塞在远离曲轴时的位置，而下止点是接近于曲轴的位置。由此，沿着往复轴线的位置通常都是按相对于曲轴旋转而言以及在曲轴旋转的意义上来说距任一止点的度数(°)给出。通常，上述表达辞前面/后面有介词“之后(after)”或“之前(before)”。例如：“上止点之前110°”(缩写为tdc之前110°或者110°btdc)意味着，活塞的顶部处于沿着往复轴线的这样一个位置，该位置对应于曲轴相对于上止点在-110°的旋转角度。“距上止点-20°至+20°”之间的范围标记法等同于“从上止点之前20°至上止点之后20°”或者“tdc之前20°至tdc之后20°”。

29、此外，本文中喷射正时之表述乃是意味着一个或多个相应喷射的起始。实际上，尽管喷射持续时间必须很短，但它们不可避免地需要一些时间，在此时间期间，活塞在气缸内持续(行走)其路径。

30、所述进气门(一个或多个)和所述排气门(一个或多个)可以是任何适当类型的阀，优选地，这些阀是几乎所有四冲程发动机中所用的独立的提升阀(poppet valve，锥阀、菌形阀、菌状阀)、滑动阀(sliding valve)或旋转盘形阀(rotating disk valve)，它们或者是由发动机本身(该发动机因此便是致动器)驱动，如通过凸轮轴驱动，或者是由单独的致动器驱动，如气动、液压或电动致动器。例如，设计为滑盘或转盘(slide or spinningdisk)的气门系统可以有利地允许实现在下止点打开和关闭排气门以及在关闭排气门之前打开进气门的设定正时。

31、本发明的内燃机可有利地进一步包括水箱作为水源以供给水喷射器(一个或多个)、以及在排气门(一个或多个)下游的冷凝器单元。该冷凝器单元，例如热交换器，可以被设置为将来自于废气的蒸汽冷凝成水，然后可以通过管道将该水供给到水箱。这种用于蒸汽生产的水的再循环对于移动式应用场合是特别有益的，在移动式应用场合中，所携带的水量往往应该是受限的。此外，水的再循环还减少了再补充水的次数。还可以提供过滤装置，以过滤所排出的蒸汽。所述水箱优选设计为既用于通过普通的充注盖来充水，又用于通过冷凝的废水进行充填。

32、本发明的内燃机当然可以由多个气缸组成。此外，这些气缸中的每一个可包括优选地沿着燃烧室周边分布的多个水喷射器。水喷射器可位于处在燃烧室内部的气缸的任何适当位置处。

33、除非另有明确说明，否则本文提供的所有明确的值都应理解为近似值。因此，每一个所说的明确的值均应理解为包括在所述值以下10％和以上10％之间的数值范围。对于前面有词语“约”、“大约”或类似词语的明确的值，应理解为包括在所述值以下20％和以上20％之间的数值范围。