Un motor de combustión interna de combustible de gas operable con gas de hidrógeno como combustible gaseoso,

incluyendo: una válvula de inyección dentro del cilindro (40) para inyectar el combustible gaseoso directamente en una cámara de combustión (10); un dispositivo de la ignición (16; 60, 62; 64; 66) dispuesto a lo largo de la trayectoria de una corriente del combustible gaseoso inyectado desde la válvula de la inyección dentro del cilindro (40); y una unidad de control (70) para la sincronización de la operación que controla el dispositivo de ignición (16; 60, 62; 64; 66) y sincronización de la operación de la válvula de la inyección dentro del cilindro (40) de tal modo que cambia los tipos de la combustión del combustible gaseoso inyectado desde la válvula de la inyección dentro del cilindro, entre la combustión de la premezcla y la combustión difusiva, el motor de combustión interna de combustible de gas caracterizado porque:

la unidad de control (70) calcula la relación de exceso de aire basada en una cantidad suministrada de hidrógeno y una cantidad de aire de admisión; y la unidad de control (70) selecciona, como modo de operación del motor de combustión interna, una operación de la combustión de la premezcla pobre para premezclarse y quemarse el combustible gaseoso en una relación aire-combustible pobre, cuando el motor de combustión interna funciona en una región de operación donde la relación de exceso de aire puede ser mantenida substancialmente igual a o mayor que 2, y selecciona, como el modo de la operación del motor de combustión interna, una operación de la combustión difusa para la difusión-combustión del combustible gaseoso, cuando el motor de combustión interna funciona en una región de operación donde la relación de exceso de aire no puede ser mantenida substancialmente igual a o mayor que 2

Motor de combustión interna de combustible de gas y método de control para el motor de combustión interna de combustible de gas.

1. Campo del invento

La presente invención se refiere a un motor de combustión interna de combustible de gas operable con combustible gaseoso tal como hidrógeno o similares.

2. Antecedente de la invención

Como descrito en la publicación de la solicitud de Patente Japonesa. JP-A-6- 88542 por ejemplo, hidrógeno, un combustible gaseoso, puede ser utilizado como combustible para un motor de combustión interna. El hidrógeno tiene un intervalo de la combustibilidad tan ancho como el porcentaje 4-75 por el volumen y puede ser fácilmente quemado en una mezcla de aire-combustible extremadamente pobre que tiene una relación del exceso del aire ? que es igual a o mayor que cerca de 4. Así, si el hidrógeno es utilizado como combustible para un motor de combustión interna, la potencia puede ser extraído incluso en una relación extremadamente pobre del aire-combustible, de tal modo que hace posible realizar la llamada una "operación de quema super pobre".

En una operación de quema super pobre, es posible abrir una válvula estranguladora completamente, de tal modo reduciendo pérdida de bombeo y disminuyendo la temperatura de combustión, que alternadamente conduce a una reducción en una pérdida del enfriamiento. Tal reducción en la pérdida de bombeo y la pérdida del enfriamiento mejora eficacia del motor así que el motor puede operar con una economía de combustible excelente y una alta eficiencia. Además, la reducción en la temperatura de combustión ayuda a suprimir la emisión de NOx y el uso del combustible de hidrógeno puede también evitar cualquier producción de CO₂ y de CO. Esto significa que la operación de quema super pobre de combustible de hidrógeno puede realizarse a una emisión cero completamente.

Sin embargo, es difícil realizar la operación de quema super pobre de combustible de hidrógeno en una región de la carga elevada puesto que la cantidad de combustible de hidrógeno tiene que ser incrementada en la región de la carga elevada para generar una potencia de salida necesaria para realizar la operación, hay un límite en la cantidad de aire de admisión que puede ser cargada para ese fin. Por esta razón, con respecto a la cantidad de hidrógeno, que el aire de admisión opera corto corto en la región de la carga elevada, de tal modo haciéndola imposible para mantener la relación aire-combustible quema super pobre necesaria.

Una relación el aire-combustible pesadamente influye el control de la eficacia y de la emisión en un motor de combustión interna. Figura. 32 ilustra la influencia de una relación del exceso del aire ? en la eficiencia térmica y la pérdida del enfriamiento de un motor de combustión interna en donde el eje X representa la relación del exceso del aire ? y el eje Y refiere a la eficiencia térmica y a la pérdida del enfriamiento. Como ilustrado en este gráfico, la pérdida del enfriamiento se incrementa como la relación del exceso del aire ? decrece. Particularmente, la pérdida del enfriamiento aumenta agudamente si la relación del exceso del aire ? llega a ser más pequeña de 2. Por consiguiente, la eficiencia térmica de un motor de combustión interna alcanza a un punto del pico cuando la relación del exceso del aire ? es alrededor 2, y entonces gradualmente decrece como la relación del exceso del aire ? decrece en la área donde ? es más pequeño de 2.

Figura. 33 representa los gráficos correspondientes a la variación de la cantidad de la emisión de NOx con respecto a la relación del exceso del aire ? en caso donde hidrógenos y gasolina son utilizados como combustible, respectivamente, en donde el eje X indica la relación del exceso del aire ? y el eje Y refiere a la cantidad de la emisión de NOx. Como se puede ver en estos gráficos, en el caso donde el hidrógeno es usado como combustible, la cantidad de la emisión de NOx es casi cero cuando la relación del exceso del aire ? es mayor que 2. Sin embargo, cuando la relación del exceso del aire ? es más pequeña de 2, la cantidad de la emisión de NO'' en el caso de ser el hidrógeno utilizado como del combustible aumenta drásticamente hasta donde es mayor que la cantidad de la emisión de NOx en un caso donde es utilizada la gasolina como combustible.

Como anotado arriba, el motor de combustión interna de combustible de hidrógeno ("motor de combustión interna de hidrógeno") es esencialmente capaz de funcionar con alta eficiencia y emisión baja mientras la relación del exceso del aire ? se mantenga mayor que 2, pero sufre de reducción de eficacia y de un aumento agudo en la cantidad de la emisión de NOx cuando la relación del exceso del aire ? es más pequeña de 2. Esto es porque la relación de combustión de hidrógenos es varias veces más alta que (un poco mas pequeño que diez veces) la de un combustible del hidrocarburo tal como gasolina o similares y más porque la combustión procede más rápidamente mientras que la relación del aire-combustible viene más cerca a una relación estoico métrica del aire-combustible (llámese ? = 1). Figura. 34 representa los gráficos correspondientes a la variación de la velocidad de generación de calor con respecto a un ángulo del cigüeñal en el que ? = 1 y ? = 2, respectivamente, en donde el eje X indica el ángulo del cigüeñal y el eje Y refiere a la velocidad de la generación de calor. Según las indicaciones de estos gráficos, la velocidad de la generación de calor es suavemente creciente y tiene un pico más bajo en ? = 2. Por otra parte, en ? = 1, la velocidad de la generación de calor experimenta un aumento agudo y tiene un pico más alto. La combustión de una mezcla del aire-combustible en cámaras de combustión ocurre rápidamente y furiosamente como el pico de la velocidad de la generación de calor llega a ser más alto.

Tal combustión rápida conduce a un incremento de la temperatura de combustión dentro de las cámaras de combustión. Por lo tanto, las pérdidas de enfriamiento se incrementan y la cantidad de la emisión de NOx se eleva drásticamente según lo dispuesto arriba. Por otra parte, en la práctica, la velocidad de aumento de presión dentro de un cilindro llega a ser perceptiblemente alta, de modo que un ruido de la llama y un daño del cuerpo del motor perceptiblemente aumenta. Estos factores hacen difícil para que el motor de combustión interna de hidrógeno convencional funcione bajo cargas elevadas sostenidas. Un ejemplo es mostrado en US2002/0078918.

Resumen de la invención

La presente invención proporciona un motor de combustión interna de combustible de gas que funciona con alta eficiencia y emisiones bajas sobre un intervalo ancho de la operación que extiende de una región de la baja carga a una región de carga elevada, y por consiguiente un método de control.

De acuerdo con un primer aspecto de la presente invención, se proporciona un motor de combustión interna de combustible de gas operable con un combustible gaseoso, incluyendo: una válvula de inyección dentro del cilindro que inyecta el combustible gaseoso directamente en las cámaras de combustión; un dispositivo de encendido dispuesto en una dirección de una corriente del combustible gaseoso inyectado desde la válvula de inyección dentro del cilindro; y una unidad de control para la temporización de la operación del control del dispositivo de encendido y la temporización de la operación de la válvula de inyección dentro del cilindro al cambio entre un modo de la operación de la combustión de la premezcla pobre o el modo difusivo de la operación de la combustión de acuerdo con el combustible gaseoso inyectado de la válvula de inyección dentro del cilindro. La unidad de control selecciona el modo de la operación de la combustión de la premezcla pobre para un premezclado y quemar el combustible gaseoso en una relación pobre del aire-combustible cuando el motor de combustión interna funciona en una región prescrita de la operación, y selecciona el modo difusivo de la operación de la combustión para difusión-quemado el combustible gaseoso cuando el motor de combustión interna funciona en una región más alta de la operación de la carga que la región prescrita de la operación.

El motor de combustión interna es un motor de combustión interna de hidrógeno que usa el gas de hidrógeno como un combustible gaseoso.

La unidad de control selecciona el modo premezcla pobre de operación de combustión en una región de operación donde una relación de exceso de aire puede se substancialmente mantenida igual...

1. Un motor de combustión interna de combustible de gas operable con gas de hidrógeno como combustible gaseoso, incluyendo: una válvula de inyección dentro del cilindro (40) para inyectar el combustible gaseoso directamente en una cámara de combustión (10); un dispositivo de la ignición (16; 60, 62; 64; 66) dispuesto a lo largo de la trayectoria de una corriente del combustible gaseoso inyectado desde la válvula de la inyección dentro del cilindro (40); y una unidad de control (70) para la sincronización de la operación que controla el dispositivo de ignición (16; 60, 62; 64; 66) y sincronización de la operación de la válvula de la inyección dentro del cilindro (40) de tal modo que cambia los tipos de la combustión del combustible gaseoso inyectado desde la válvula de la inyección dentro del cilindro, entre la combustión de la premezcla y la combustión difusiva, el motor de combustión interna de combustible de gas caracterizado porque:

la unidad de control (70) calcula la relación de exceso de aire basada en una cantidad suministrada de hidrógeno y una cantidad de aire de admisión; y la unidad de control (70) selecciona, como modo de operación del motor de combustión interna, una operación de la combustión de la premezcla pobre para premezclarse y quemarse el combustible gaseoso en una relación aire-combustible pobre, cuando el motor de combustión interna funciona en una región de operación donde la relación de exceso de aire puede ser mantenida substancialmente igual a o mayor que 2, y selecciona, como el modo de la operación del motor de combustión interna, una operación de la combustión difusa para la difusión-combustión del combustible gaseoso, cuando el motor de combustión interna funciona en una región de operación donde la relación de exceso de aire no puede ser mantenida substancialmente igual a o mayor que 2.

2. El motor de combustión interna ce combustible de gas según la reivindicación 1, además comprendiendo medios para adquisición de una relación de exceso de aire, en donde la unidad de control (70) cambia el modo de operación del motor de combustión interna a operación de combustión difusiva cuando la relación de exceso de aire esta debajo de un valor de umbral predeterminado durante la operación de combustión de una premezcla pobre.

3. El motor de combustión interna de combustible de gas según la reivindicación 2, además medios de compresión para la conseguir un porcentaje de incremento de presión dentro del cilindro, en donde la unidad de control (70) cambia el modo de operación del motor de combustión interna desde la operación de combustión difusiva cuando el porcentaje de incremento de presión dentro del cilindro esta sobre un valor del umbral predeterminado durante la operación de combustión de la premezcla pobre.

4. El motor de combustión interna de combustible de gas de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde durante el tiempo de ejecución de la operación de combustión difusiva, la unidad de control (70) actúa el dispositivo de ignición (16) mientras el combustible gaseoso esta siendo inyectado desde la válvula de inyección dentro del cilindro (40).

5. El motor de combustión interna do combustible de gas según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde, durante el tiempo de ejecución de la operación de combustión difusiva, la unidad de control (70) fija la duración de la inyección de combustión gaseosa para extenderla sobre un periodo desde un tiempo antes de la compresión TDC hasta un tiempo después de la compresión TDC y activa el dispositivo de ignición (16) substancialmente concurrentemente con el comienzo de la inyección de combustible gaseoso.

6. El motor de combustión interne; de combustible de gas de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde, durante el tiempo de ejecución de la operación de combustión difusiva, donde el piloto de la unidad de control (70) inyecta una fracción de combustible gaseoso, en donde una cantidad de combustible gaseoso que es inyectado piloto esta decidido por una carga requerida y llega realizar una inyección principal para la combustión difusiva en una atmósfera bajo la cual el combustible gaseosos inyectado piloto es mezclado con aire.

7. El motor de combustión interna de combustible de gas según la reivindicación 6, donde la unidad de control (70) activa el dispositivo de ignición (16) subsecuentemente a la ejecución de la inyección piloto y en avance a la inyección principal.

8. El motor de combustión interna de combustible de gas según de acuerdo a la reivindicaciones 6 o 7, donde la unidad de control (70) ejecuta la inyección piloto en una región alta de carga de la región de operación donde la operación difusiva de combustión es ejecutada.

9. El motor de combustión interna de combustible de gas de acuerdo con cualquiera de la reivindicaciones 1 a 8, donde cuando la operación de combustión difusiva es ejecutada, la unidad de control (70) activa adicionalmente el dispositivo de ignición (16) en el curso de la inyección de combustible gaseoso dependiendo del periodo de inyección de combustible gaseoso.

10. El motor de combustión interna de combustible de gas de acuerdo a la reivindicación 9, donde la unidad de control (70) incrementa una frecuencia de activación del dispositivo de ignición (16) dependiendo paso por paso del periodo de inyección del combustible gaseoso.

11. El motor de combustión interna de combustible de gas de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10 donde el dispositivo de ignición (16) esta dispuesto en el ápice de la cámara de combustión (10); y la válvula de inyección dentro del cilindro (40) esta dispuesta en la pared lateral de la cámara de combustión (10) de tal manera que un orificio de inyección de la válvula de inyección dentro del cilindro (40) esta orientado para inyectar combustible gaseosos hacia el aparato de ignición (16).

12. El motor de combustión interna de combustible de gas de acuerdo con cualquiera de la reivindicaciones 1 a 10 donde el dispositivo de ignición (16) y la válvula de ignición dentro del cilindro (40) están todas dispuestas en el ápice de la cámara de combustión (10) y el agujero de inyección de la válvula de inyección dentro del cilindro (4) esta orientado para asegurar que la corriente de combustible gaseoso pasa por el extremo final del dispositivo de ignición (16).

13. El motor de combustión interna de combustible de gas de acuerdo a las reivindicaciones 1 a 12 donde una pluralidad de dispositivos de ignición (16, 60, 62) están dispuestos a lo largo del camino de la corriente del combustible gaseosos inyectado desde la válvula de inyección dentro del cilindro (40); y cuando la operación de combustión difusiva es ejecutada, la unidad de control (70) activa la pluralidad de dispositivos de ignición (16, 60, 62) bien simultáneamente o secuencialmente con una diferencia de fase en orden de la distancia, desde la mas cercana hasta la mas alejada, con respecto a la válvula de inyección dentro del cilindro (40).

14. El motor de combustión interna de combustible de gas de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, donde la válvula de inyección dentro del cilindro (40) esta configurada para inyectar combustible gaseoso en una pluralidad de direcciones y cada dispositivo de ignición de la pluralidad de dispositivos de ignición (16, 64, 66) están alineados con la dirección de inyección respectiva de la válvula de inyección dentro del cilindro (40).

15. El motor de combustión interna de combustible de gas de acuerdo a la reivindicación 14, donde la pluralidad de dispositivos de ignición 16, 64) están colocadas substancialmente a una distancia igual desde el borde final de la válvula de inyección dentro del cilindro (40).

16. El motor de combustión interna de combustible de gas de acuerdo a la reivindicación 14, donde la válvula de inyección dentro del cilindro (40) esta dispuesta en el centro de la porción ápice de la cámara de combustión (10); un dispositivo de ignición (16) esta posicionado inmediatamente próximo a la válvula de inyección dentro del cilindro (40) en una relación compensada; y una pluralidad de dispositivos de ignición (66) están situados a lo largo de un circulo imaginario cuyo centro coincide con el centro del eje de la válvula de inyección dentro del cilindro (40).

17. El motor de combustión interna de combustible de gas de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, donde la unidad de control (70) permite a la válvula de inyección dentro del cilindro (40) inyectar antes combustible gaseosos que el cierre de la válvula de admisión (12), en una región de carga baja de la región de operación donde la operación de combustión de premezclado pobre es ejecutada, y permite a la válvula de inyección dentro del cilindro (40) inyectar combustible gaseosos inmediatamente después del cierre de la válvula de admisión (12), en una región de carga alta de la región de operación donde la operación de combustión del premezclado pobre es ejecutada.

18. El motor de combustión interna de combustible de gas de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, comprendiendo además una válvula puerto de inyección (50) para inyectar combustible gaseosos dentro del puerto de admisión, donde la unidad de control (70) permite el puerto de la válvula de inyección, inyectar combustible gaseoso antes del cierre de la válvula de admisión (12) en una región de carga baja de la región de operación donde la operación de combustión de premezclado pobre es ejecutada, y permite a la válvula de inyección dentro del cilindro (40) inyectar combustible gaseosos inmediatamente después del cierre de la válvula de admisión (12) en la región de carga alta de la región de operación.

19. El motor de combustión interna de combustible de gas de acuerdo a las reivindicaciones 1 a 16, donde la unidad de control (70) permite a la válvula de inyección dentro del cilindro (40) inyectar combustible gaseoso durante el curso de una fase de compresión de tal manera que el combustible gaseosos puede ser sujeto a combustión estratificada, en una región de carga extremadamente baja de la región de operación donde la operación de combustión del premezclado pobre es ejecutada, y permite a la válvula de inyección dentro del cilindro (40) inyectar combustible gaseosos durante el curso de la fase de admisión o al comienzo de la fase de compresión de tal manera que el combustible gaseosos puede ser sujeto a una combustión homogénea en la región de operación encima de la región de carga extremadamente baja.

20. Un método de control para un motor de combustión interna de combustible de gas que opera con gas hidrógeno como combustible gaseosos, incluyendo una válvula de inyección dentro del cilindro (40) para inyectar combustible gaseosos directamente dentro de la cámara de combustión (10), y un dispositivo de ignición (16; 60, 62; 64; 66) colocado a lo largo del camino de la corriente de combustible gaseosos inyectada desde la válvula de inyección dentro del cilindro (40), comprendiendo: aparato de controlador del tiempo de operación de ignición (16; 60, 62; 64; 66) y temporizador de operación de la válvula de inyección dentro del cilindro (40) para cambiar con ello los tipos de combustión del combustible inyectado gaseoso desde la válvula de inyección dentro del cilindro, entre combustión de una premezcla y combustión difusiva; y calculando una relación de exceso de aire basada en una cantidad de suministro de hidrógeno y una cantidad del aire de admisión, en donde, como en un modo de operación del motor de combustión interna, la operación de combustión de premezcla del lado pebre para premezclar y combustir el combustible gaseosos a una relación aire-combustible pobre es seleccionada cuando el motor de combustión interna esta operado en una región de operación donde la relación de exceso de aire puede ser mantenida substancialmente igual a o mayor que 2, y una operación de combustión difusiva para combustir-difundir el combustible gaseosos es seleccionada cuando el motor de combustión interna es operado en una región de operación donde la relación de exceso de aire no puede ser mantenida substancialmente igual a o mayor que 2.