DE69530219T2 - Wasserstoff-erdgas-maschinenbrennstoff - Google Patents

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung bezieht sich auf Kraftstoffe mobiler Fahrzeuge und insbesondere auf ein Gemisch aus Wasserstoff und Erdgas, das als Brennstoff für Brennkraftmaschinen verwendet wird, sowie auf einen Drosselklappen-Steueralgorithmus für magere Verbrennung, um die Emissionen und die Leistung eines Fahrzeugs zu optimieren.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Infolge der abnehmenden Reserven an fossilen Brennstoffen, wie zum Beispiel Öl, auf der Welt besteht ein Bedarf an Fahrzeugen mit alternativem Kraftstoff (AFVs = alternative fuel vehicles). Der von Präsident Bush 1992 unterzeichnete Energy Policy Act (EPACT) fordert, dass Staaten und die Bundesregierung Schritte unternehmen, um den Energieverbrauch zu reduzieren und sich auf andere Energiequellen zu verlagern, wie zum Beispiel die Hinzufügung von Fahrzeugen mit alternativem Kraftstoff (AFV) zu Bundes- und Staatsflotten. Einzelne Staaten wie zum Beispiel Kalifornien und New York haben sich zum Ziel gesetzt, sich Null-annähernde Emissionsstandards für bestimmte Prozentsätze neuer Fahrzeuge zu setzen, die in diesen Staaten in der nächsten Zukunft verkauft werden. Somit besteht der Bedarf an alternativen Kraftstoffen.
  • Naturgas ist seit langem als ausgezeichneter alternativer Kraftstoff betrachtet worden, da es als viel sauberer als andere fossile Brennstoffe wie Öl angesehen wird und seine Reserven viel größer sind als die von Rohöl. Naturgas bzw. Erdgas, das sich hauptsächlich aus Methan und Kombinationen aus Kohlendioxid, Stickstoff, Äthan, Propan, Iso-Butan, N-Butan, Iso-Pentan, N-Pentan und Hexan Plus zusammensetzt, ist eine erneuerbare Energiequelle, da anaerobe Bakterien letztlich alle Pflanzen in ein Gas vom Methan-Typ umwandeln. Erdgas hat eine extrem hohe Oktanzahl, etwa 130, womit höhere Verdichtungsverhältnisse und breitere Entflammbarkeitsgrenzen ermöglicht werden.
  • Ein Problem beim Einsatz von Erdgas bzw. Naturgas ist die reduzierte Leistungsabgabe im Vergleich zu Benzin, meistens infolge des Verlustes an volumenmäßiger Effizienz bei gasförmigen Brennstoffen sowie dem Mangel der Infrastruktur für das Auftanken von Erdgasfahrzeugen. Ein weiterer Problembereich sind die Emissionen, die durch diese Erdgasfahrzeuge erzeugt werden. Obwohl die Emissionen möglicherweise geringer sind als die von Benzinfahrzeugen, erfordern diese Fahrzeuge im allgemeinen bestimmte Typen von Emissionssteuerungen wie zum Beispiel eine Abgasrückführung (EGR = exhaust gas recirculation), eine positive Kurbelgehäusebelüftung (PCV = positive crankcase ventilation) und/oder einen einzelnen Dreiwegekatalysator. Ein weiteres Problem bei dem Einsatz von Naturgasfahrzeugen ist die langsame Flammgeschwindigkeit, die erfordert, dass der Kraftstoff im wesentlichen vor dem oberen Totpunktzentrum (BTDC = before dead center) gezündet wird. Im allgemeinen arbeiten die meisten Brennkraftmaschinen, die mit Benzin laufen, mit einer Zündverstellung von etwa 35 Grad BTDC, wohingegen die gleiche Maschine, die mit Erdgas betrieben wird, eine Zündvoreilung von etwa 50 Grad BTDC erfordert. Die geringere Verbrennungsrate des Kraftstoffs ergibt eine reduzierte Wärmeleistung und mangelhafte Verbrennungseigenschaften.
  • Vorgeschlagene alternative Kraftstoffe, die Wasserstoff und fossile Brennstoffe verwenden, sind ebenfalls verwendet worden, wobei sich daraus Probleme ergaben. In einem Artikel von Houseman et al. mit dem Titel "A Two-Charge Engine Concept: Hydrogen Enrichment" SAE-Paper #741169 (1974) wurde eine Untersuchung am Jet Propulsion Laboratory durchgeführt. Die Forscher betrieben eine V-8-Brennkraftmaschine mit einem Gemisch von Benzin und Wasserstoff. Der Zusatz von Wasserstoff ermöglichte es, dass der Motor viel magerer arbeiten konnte als es ausschließlich mit Benzin bisher möglich war. Das Ergebnis dieser Untersuchung war, dass NOx-Emissionen unter den Standard der EPC von 1977 von 0,4 gm pro Meile reduziert wurden. Der Artikel stellt fest, dass "bei einem Äquivalenzverhältnis von 0,53 sehr wenig NOx und CO erzeugt wurden und der thermische Wirkungsgrad des Motors im wesentlichen gegenüber Konfigurationen mit Benzinversorgung zunahm. Der Artikel erwähnt, dass, um "ein Fahrzeug mit Kraftstoffgemischen und Wasserstoff zu betreiben, eine an Bord befindliche Wasserstoffquelle erforderlich ist. Eine Lagerung von Wasserstoff entweder als komprimiertes Gas, als Flüssigkeit bei cryogener Temperatur oder als Hydrid ist heutzutage keine praktische Lösung. Die direkte Erzeugung von Wasserstoff aus Benzin in einem an Bord befindlichen Reaktor wurde als die beste Lösung des Problems gewählt." Das Hauptproblem bei dieser Vorrichtung bestand darin, dass der beschriebene Reaktor wegen der Komplexität der Vorrichtung nicht zur Anwendung kam.
  • Die Artikel von MacDonald, J. S. mit dem Titel "Evaluation of the Hydrogen Supplemented Fuel Concept with an Experimental Multicylinder Engine", Automotive Engineering Congress and Exposition, SAE Paper #760101 (1976) und von Parks, F. B. mit dem Titel "A Single-Cylinder Engine Study of Hydrogen Rich Fuels", Automotive Engineering Congress and Exposition, SAE Paper #760099 (1976) wurden von Autoren von General Motors verfasst, die auch die Verwendung von mit Wasserstoff angereichertem Benzin erforschten. In einer Überlegung zur Arbeit von Houseman et al. stellt MacDonald fest, dass, "während dieser Lösungsweg (Wasserstoffreaktor) sich als gangbar herausstellte, er doch seine Einschränkungen aufweist. Ein Problem besteht darin, dass die maximale theoretische Ausbeute bzw. Ergiebigkeit von Wasserstoff pro Kilogramm Kraftstoff etwa 14 Gewichtsprozent beträgt. Ein weiteres Problem ist, dass der Wasserstoffgenerator bestenfalls nur zu 80% wirksam ist, so dass jegliches Benzin, das in den Generator eingeleitet wird, einen Verlust an Wirkungsgrad darstellt, was ein Verlust an Kraftstoff einsparung bedeutet. Aus diesen Gründen ist es wünschenswert, die Wasserstoffmenge, die für einen akzeptablen Motorbetrieb erforderlich ist, auf einem Minimum zu halten". Dieser Artikel berichtet weiter, dass bei 14,4% Wasserstoff als Kraftstoffmasse der Motor mit einem Äquivalenzverhältnis von 0,52 zufriedenstellend arbeitete und die NOX-Pegel unter das von der EPA geforderte Niveau von 0,4 gm pro Meile fiel.
  • Verschiedene US-Patente haben ähnliche Konzepte aufgenommen. Beispielsweise beschreibt das US-Patent 4 367 097 im Namen von Emelock einen Wasserstoffgenerator für Motorfahrzeuge. Das US-Patent 4 508 064 im Namen von Watanabe beschreibt eine dem Kunden angepasste Maschine zum Verbrennen von Wasserstoffgas. Das US-Patent 5 176 809 im Namen von Simuni zur Herstellung und zum Recyclen von Wasserstoff aus Abgasen.
  • Hinsichtlich der Kombination von Wasserstoff und Erdgas als Brennstoffgemisch ist ein bestimmter Forschungsaufwand betrieben worden. Artikel von Nagalingam et al. mit dem Titel "Performance Study Using Natural Gas, Hydrogen-Supplemented Natural Gas and Hydrogen in AVL Research Engine", International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 8, Nr. 9, Seiten 715–720, 1983; Fulton et al. mit dem Titel "Hydrogen for Reducing Emissions from Alternative Fuel Vehicles", 1983 SAE Future Transportation Conference, SAE Paper #931813, 1993 und ein Artikel von Yusuf mit dem Titel "In-Cylinder Flame Front Growth Rate Measurement of Methans and Hydrogen Enriched Fuel in a Spark Ignited Internat Combustion Engine", unveröffentlichte Master Thesis, University of Miami (1990) offenbarten jeweils solche Kombinationen eines Kraftstoffgemischs. Die Gemische waren im allgemeinen jedoch auf 20% Wasserstoff und zum Rest im allgemeinen Methan begrenzt. Das US-Patent 5 139 002 im Namen von Lynch et al. stellt fest, dass mit Wasserstoff angereicherte Gemische nur Gemische bis zu einem Anteil zwischen "10 bis 20%" enthalten sollten. Siehe Spalte 9, Zeilen 49–60 und Spalte 16, Zeilen 14–21. In Spalte 9, Zeile 37–60 stellt Lynch et al. fest, dass "relativ wenige Test notwendig waren, um die 25% und 30%-Gemische (von Wasserstoff) auszuschließen ...".
  • Trotz seiner sauberen Brenneigenschaften war die Verwendung von Wasserstoff als alternativer Kraftstoff mit vielen Problemen verbunden. In erster Linie war die Verwendung von Wasserstoff in Fahrzeugen durch die Größe, das Gewicht, die Komplexität und die Kosten von Wasserstoff-Lageroptionen sowie die Kosten von Wasserstoff selbst begrenzt.
  • Die Kontrolle bzw. Steuerung von Luft-/Kraftstoffverhältnissen und der Motorleistung ist in vergangenen Anwendungen beschränkt gewesen. Im allgemeinen wird die Leistung eines Motors mit Funken- bzw. mit Fremdzündung (SI = spark ignition) durch einen Drosselung genannten Prozess gesteuert. Die Drosselung steuert das Volumen von Luft, welche in eine Brennkraftmaschine eintritt. Das Drosselsystem ist aus einer oder mehreren Drosselklappen gebildet, die in den Lufteinlassstrom eingebaut sind. Während einer Position mit "geschlossener Drosselklappe", die auch als IDLE bezeichnet wird, verschließt die Drosselklappe den Lufteinlass, und die einzige Luft, die in den Motor eintritt, ist Leckluft, die durch die Klappen hindurchtritt. Alternativ kann die einzige Luft, die in den Motor eintritt durch ein kleines Loch in der Drosselklappe passierende Luft sein, um dem Motor einen Minimalbetrag an Luft bereitzustellen. Wenn die Drossel bzw. Drosselklappe weit geöffnet ist, ist die Drosselklappe parallel zum Luftstrom und präsentiert gegenüber der ankommenden Luft eine minimale Lufteinschränkung. Sehr oft befindet sich die Drosselklappe zwischen voll geöffnet und voll geschlossen, womit sie gegenüber dem Luftdurchgang eine gesteuerte Restriktion aufweist.
  • Bei einer Fremdzündungs- bzw. Funkenzündungsmaschine wird der Kraftstoff im allgemeinen in den Einlass-Luftstrom eingeleitet, um das Luft-/Kraftstoffgemisch zur Verbrennung zu liefern. Verschiedene Verfahren sind zum Einleiten des Kraftstoffs in die Luft angewandt worden. Beispielsweise ist der Vergaser-SI-Motor die geläufigste Methode für Kraftfahrzeuganwendungen. Dabei steuert der Vergaser die in den Luftstrom durch die Kraftstofföffnungsgröße und den Druckabfall über einem Venturi eingespritzte Kraftstoffmenge. Um die einzuspritzende Kraftstoffmenge bei einem gegebenen konstanten Druckabfall zu erhöhen, wurde die Größe bzw. der Umfang des Strahls verstärkt. Mit einer festgesetzten Strahlgröße blieb die Kraftstoffmenge, die in den Luftstrom eintrat, im wesentlichen proportional zum Druckabfall über dem Venturi. Damit war der Druckabfall über dem Venturi eine Funktion der Drosselklappenposition.
  • Eine alternative bekannte Methode zum Einleiten von Kraftstoff in den Luftstrom ist eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung. Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung kann in einem gemeinsamen Speicherraum gelegen sein, welcher alle Zylinder einer Mehrzylindermaschine versorgt. An dieser Stelle wird die Maschine bzw. der Motor "mit Drosselklappeneinspritzung" ("throttle body injected") bezeichnet. Die Einspritzdüsen können alternativ in den Ansaugkanälen gelegen sein, welche die einzelnen Kanäle versorgen. Diese Art von Einspritzung wird als "Port-Einspritzung" ("port injection") bezeichnet.
  • Sowohl bei den Drosselklappen- als auch den Port-Einspritzsystemen wird ein Sensor zur Messung der Luftmenge benötigt, die in den Motor eintritt, um die Einspritzdüsen zu steuern und ein konstantes Luft-/Kraftstoffverhältnis über den gesamten Bereich der Drosselklappenöffnungen zu erzeugen. Im allgemeinen wird das Ausgangssignal von einem Drucksensor oder einem Strömungssensor einem Computer eingespeist, welcher den analogen Wert des Luftstroms vom Sensor verwendet, um die Zeitlänge zu steuern, welche die Einspritzdüse offen sein muss, und damit das Luft-/Kraftstoffverhältnis zu steuern. Zusätzliche Sensoren sind ebenfalls aufgenommen worden, um die Drosselposition und den Abgasgehalt zu messen. Die Ausgabe von diesen Sensoren kann auch das Luft-/Kraftstoffverhältnis steuern.
  • Die Leistungsabgabe eines Motors ist auch strikt durch die in die Verbrennungskammer kurz vor der Zündung eingeleitete Kraftstoffmenge gesteuert worden. Bei Verdichtungsbzw. Kompressionszündungsmotoren (CI = compression ignition), die auch als "Dieselmotoren" bezeichnet werden, muss der CI-Motor normalerweise keine Drosselklappe aufweisen. In den Motor eintretende Luft wird nur durch die Gestaltung des Ansaugkrümmers eingeschränkt. Der Kraftstoff wird direkt in die Zylinder des CI-Motors kurz vor der Zündung eingespritzt. Die Zündung wird durch die starke Hitze bewirkt, die während des Kompressionshubs erzeugt wird.
  • Beispiele des obigen Standes der Technik sind in den US-Patenten 3 982 878 im Namen von Yamane et al. 4 184 461 im Namen von Leung, 4 213 435 im Namen von Simko, 4 244 232 im Namen von Johnson, 4 406 261 im Namen von Ikeura, 4 471 738 im Namen von Smojver, 4 512 304 im Namen von Snyder und 4 730 590 im Namen von Sogawa zu finden.
  • Der Betrieb eines Motors mit magerer Verbrennung wurde durch das US-Patent 4 499 872 im Namen von Ward et al. versucht. Das Ward-System ist aber auf eine adiabatische Motorgestaltung beschrankt und erfordert ausgeklügelte strukturelle Komponenten und Verbindungen, wie zum Beispiel einen Mikrowellenerzeuger, um zu funktionieren.
  • Abriss der Erfindung
  • Die erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Wasserstoff- und Erdgasgemisch bereitzustellen, das die Limits von Erdgas als Motorkraftstoff für eine magere Verbrennung erweitert.
  • Die zweite Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein Wasserstoff- und Erdgasgemisch bereitzustellen, welches die schädlichen Abgasemissionen wesentlich reduziert, die durch herkömmliche Brennkraftmaschinen erzeugt werden.
  • Die dritte Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein Wasserstoff- und Erdgasgemisch bereitzustellen, das bei existierenden, gasgetriebenen Fahrzeugen ohne größere Modifikationen und Zusätze zu diesen Fahrzeugen eingesetzt werden kann.
  • Die vierte Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein Wasserstoff- und Erdgasgemisch bereitzustellen, das bundesweiten und staatlichen Emissionsanforderungen auf lange Sicht genügt.
  • Die fünfte Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein Wasserstoff- und Erdgaskraftstoffgemisch bereitzustellen, welches die Kosten des Kraftstoffs gegenüber Abgasemissionen optimiert.
  • Die sechste Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein Wasserstoff- und Erdgaskraftstoffgemisch bereitzustellen, das etwa 21–50% Wasserstoff und zum Rest Erdgas wie zum Beispiel Methan enthält.
  • Die siebte Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein computergesteuertes Verfahren zum Steuern des variablen Luft-/Kraftstoffgemischs einer standardmäßigen Brennkraftmaschine bereitzustellen, um eine magere Verbrennung zu erzielen.
  • Die achte Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine Drosselklappensteuerung bereitzustellen, um eine magere Vertikalrbrennung in einer standardmäßigen Brennkraftmaschine zu erzielen.
  • Die neunte Aufgabe der Erfindung ist es, eine Steuerung zur Aufrechterhaltung des Luft-/Kraftstoffgemischs bereitzustellen, um die Leistung, den Wirkungsgrad und die Emissionen so zu optimieren, wie sie durch den California Air Resources Board für ein Fahrzeug mit ultraniedrigen Emissionen und für ein Fahrzeug mit quasi Null Emissionen von einer geschlossenen Drosselklappenposition bis zu einer voll geöffneten Drosselklappenposition definiert ist.
  • Die zehnte Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein System zur Erhöhung des Kraftstoff-/Luftverhältnisses (φ) als Funktion des Energiebedarfs bereitzustellen, nachdem die Motordrosselklappe voll geöffnet ist.
  • Die elfte Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein Verfahren zum Bestimmen des Betrags an Kraftstoff-/Luftanreicherung bereitzustellen mit einem Mehrkriterien-Entscheidungsanalysealgorithmus, der optimiert ist, um Emissionen zu minimieren, während er eine ausreichende Leistung abgibt, um den Bedarf zu decken.
  • Die zwölfte Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein Verfahren zum Einstellen des Wasserstoff- und Methan-Brennstoffgemischverhältnisses bereitzustellen, basierend auf Motorleistungsanforderungen und Emissionsanforderungen.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, ein Wasserstoff- und Erdgas-Kraftstoffgemisch bereitzustellen, bei dem der Prozentsatz an Wasserstoff etwa 21 bis zu 50% des Gemischs beträgt. Der Erdgasanteil des Brennstoffs kann Bestandteile wie zum Beispiel Kombinationen von Methan, Kohlendioxid, Stickstoff, Äthan, Propan, Iso-Butan, N-Butan, Iso-Pentan, N-Pentan und Hexan Plus aufweisen. Gängige Brennkraftmotoren, die sich in Massenproduktion befinden, können diesen alternativen Kraftstoff ohne irgendwelche wesentlichen Modifikationen in ihre Systeme aufnehmen. Dieser alternative Kraftstoff weist eine magere Verbrennung auf und emittiert Emissionen, die unter heutigen legalen Standards liegen. Spezifische Gemischverhältnisse bei der Verwendung der Gemischverhältnisse sind für eine Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs offenbart. Es ist ein Computeralgorithmus offenbart, der den Betrag von Brennstoff- zu Luft-Anreicherung bestimmt, der notwendig ist, um Leistungsanforderungen einer Drosselklappe einer Brennkraftmaschine zu genügen, während Emissionen minimiert werden. Der Leistungsbedarf wird durch einen Computeralgorithmus bestimmt, dessen Eingang der Drosselklappen-Positionssensor ist. Die Position, die Geschwindigkeit und die Beschleunigung des Drosselpedals, nachdem die Drosselklappen voll geöffnet sind, wird gemessen und berechnet, um eine minimale Kraftstoffanreicherung festzulegen. Zusätzlich zur Kraftstoffanreicherung wird die Zundeinstellung variiert, um eine Leistungssteigerung zu optimieren, während Emissionen minimiert werden. Das System kann in einer Konfiguration mit offener Schleife unter Verwendung von Nachschlagetabellen betrieben werden, die von der Motorkonfiguration abhängen. Verschiedene Motorkonfigurationen, die in die Nachschlagtabellen aufgenommen sind, können die Zylindergröße (4, 6, 8, 10, 12), die Zylinderverdrängung und Kopfdimensionen umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Alternativ kann das System unter Verwendung einer Abgasemissionsüberwachung an Bord des Fahrzeugs unter Verwendung von Sensoren, wie zum Beispiel von NOx, CO, CO2, O2, THC (gesamter Kohlenwasserstoff) , NMOG (organische Nicht-Methan-Verbindungen), betrieben werden. Das System kann Druckwandler im Zylinder verwenden, um eine Motor-Leistungsabgabe als Rückkoppelungsvorrichtung zu messen, um die Steuerschleife mit dem Drosselklappen-Positionssensor und einem Algorithmus zu schließen, oder das System kann in der Konfiguration mit offener Schleife betrieben werden. Außerdem kann der Druckwandler im Zylinder dazu verwendet werden, Zylinder-Fehlzündungen zu messen und das Luft-/Kraftstoffverhältnis in jedem Zylinder des Motors zu modifizieren, wobei die Emission und die Leistungsabgabe weiter optimiert werden. Das Kraftstoffgemisch von Wasserstoff und Erdgas kann dynamisch auf der Basis des Motorbedarfs und der Emissionen an den Motor angepasst werden.
  • Weitere Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung gehen aus der folgenden genauen Beschreibung einer derzeit bevorzugten Ausführungsform hervor, die schematisch in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist.
  • Bes chreibung der Zeichnungen
  • Es zeigen:
  • 1 eine graphische Darstellung von Abgasemissionen bei Gemischen von Erdgas- und 0% Wasserstoff in Teilen pro Million (PPM = parts per million) gegenüber dem Äquivalenzverhältnis,
  • 2 eine vergrößerte Schnittansicht des Graphen der Figur von Abgasemissionen bei Gemischen von Erdgas und 0% Wasserstoff in Teilen pro Million (PPM) gegenüber dem Äquivalenzverhältnis,
  • 3 eine graphische Darstellung von Abgasemissionen bei Gemischen von Erdgas und 0% Wasserstoff in Gramm pro Pferdestärkenstunde (g/HpHr) gegenüber dem Äquivalenzverhältnis,
  • 4 eine vergrößerte Schnittansicht des Graphen von 3 von Abgasemissionen bei Gemischen von Erdgas und 0% Wasserstoff in Gramm pro Pferdestärkenstunde (g/HpHr) gegenüber dem Äquivalenzverhältnis,
  • 5 eine graphische Darstellung von Abgasemissionen bei Gemischen von Erdgas und 11% Wasserstoff in Teilen pro Million (PPM) gegenüber dem Äquivalenzverhältnis,
  • 6 eine vergrößerte Schnittansicht des Graphen der 5 von Abgasemissionen bei Gemischen von Erdgas und 11% Wasserstoff in Teilen pro Million (PPM) gegenüber dem Äquivalenzverhältnis,
  • 7 eine graphische Darstellung von Abgasemissionen bei Gemischen von Erdgas und 10% Wasserstoff in Gramm pro Pferdestärkenstunde (g/HpHr) gegenüber dem Äquivalenzverhältnis,
  • 8 eine vergrößerte Schnittansicht des Graphen der 7 von Abgasemissionen bei Gemischen von Erdgas und 10% Wasserstoff in Gramm pro Pferdestärkenstunde (g/HpHr) gegenüber dem Äquivalenzverhältnis,
  • 9 eine graphische Darstellung von Abgasemissionen bei Gemischen von Erdgas und 20% Wasserstoff in Teilen pro Million (PPM) gegenüber dem Äquivalenzverhältnis,
  • 10 eine vergrößerte Schnittansicht des Graphen der 9 von Abgasemissionen für Gemische von Erdgas und 20% Wasserstoff in Teilen pro Million (PPM) gegenüber dem Äquivalenzverhältnis,
  • 11 eine graphische Darstellung von Abgasemissionen bei Gemischen von Erdgas und 20% Wasserstoff in Gramm pro Pferdestärkenstunde (g/HpHr) gegenüber dem Äquivalenzverhältnis,
  • 12 eine vergrößerte Schnittansicht des Graphen der 11 von Abgasemissionen bei Gemischen von Erdgas und 20% Wasserstoff in Gramm pro Pferdestärkenstunde (g/HpHr) gegenüber dem Äquivalenzverhältnis,
  • 13 eine graphische Darstellung von Abgasemissionen bei Gemischen von Erdgas und 28% Wasserstoff in Teilen pro Million (PPM) gegenüber dem Äquivalenzverhältnis,
  • 14 eine vergrößerte Schnittansicht des Graphen der 13 von Abgasemissionen bei Gemischen von Erdgas und 28% Wasserstoff in Teilen pro Million (PPM) gegenüber dem Äquivalenzverhältnis,
  • 15 eine graphische Darstellung von Abgasemissionen für Gemische von Erdgas und 30% Wasserstoff in Gramm pro Pferdestärkenstunde (g/HpHr) gegenüber dem Äquivalenzverhältnis,
  • 16 eine vergrößerte Schnittansicht des Graphen der 15 von Abgasemissionen bei Gemischen von Erdgas und 30% Wasserstoff in Gramm pro Pferdestärkenstunde (g/HpHr) gegenüber dem Äquivalenzverhältnis,
  • 17 eine graphische Darstellung von Abgasemissionen bei Gemischen von Erdgas und 36% Wasserstoff in Teilen pro Million (PPM) gegenüber dem Äquivalenzverhältnis,
  • 18 eine vergrößerte Schnittansicht des Graphen der 17 von Abgasemissionen bei Gemischen von Erdgas und 36% Wasserstoff in Teilen pro Million (PPM) gegenüber dem Äquivalenzverhältnis,
  • 19 eine graphische Darstellung von Abgasemissionen für Gemische von Erdgas und 40% Wasserstoff in Gramm pro Pferdestärkenstunde (g/HpHr) gegenüber dem Äquivalenzverhältnis,
  • 20 eine vergrößerte Schnittansicht des Graphen der 19 von Abgasemissionen bei Gemischen von Erdgas und 40% Wasserstoff in Gramm pro Pferdestärkenstunde (g/HpHr) gegenüber dem Äquivalenzverhältnis,
  • 21A und 21B ein Ablaufdiagramm zur Darstellung eines bevorzugten Betriebs der Drosselklappensteuerung der Erfindung, und
  • 22 eine schematische Ansicht zur Darstellung bevorzugter Systemsteuerverbindungen für die Verwendung der erfindungsgemäßen Drosselklappensteuerung.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
  • Vor der Erläuterung der offenbarten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Detail ist anzumerken, dass die Erfindung in ihrer Anwendung nicht auf die Details der speziellen gezeigten Anordnung beschränkt ist, da die Erfindung auch zu anderen Ausführungsformen fähig ist. Auch die hier verwendete Terminologie hat den Zweck der Beschreibung und nicht der Einschränkung.
  • Mit Wasserstoff angereicherte Erdgas-Kraftstoffe
  • Es wurden Tests mit Gemischen von Wasserstoff und Erdgas ausgeführt. Die Kraftstoffe wurden zum Zwecke der Reduzierung von Emissionen gemischt, die normalerweise durch fossile Brennstoffe emittiert werden, und um das Limit einer mageren Verbrennung von Erdgas durch Einführen von Wasserstoff zu erweitern.
  • Die für diese Tests benutzte Maschine war eine V-8, Chevrolet 350, die mit den folgenden Spezifikationen nachgebaut wurde:
    Bohrung: 4,030" (0,030 über der Bohrung vom Standard)
    Hub: 3,480"
    Kolben: Aluminiumguß, flache Oberseite mit 4 Ventilreliefs
    Nocken: Lager
    Zylinderkopfe: 76cc
    Ventile: Ansaugventil 1,94" Ausstoßventil 1,50"
    Verdichtungsverhältnis: 9 : 1
    Ansaugkrümmer: Aluminiumdrosselkörper
    Abgaskrümmer: 1 5/8"-Stahlrohr-Sammelrohre
    Zündkerzen: Autoliter 303 Spalt: 0,035"
    Zündung: HEI ohne die Vakuum-Zündvorverstellung
    Drähte: Kohlenstoffkern
    Vergaser: Drosselklappenkörper mit Impco Gasbrennstoffmesser
  • Das in den Tests verwendete Dynamometer war ein computergesteuertes Super Flow 901 mit einer maximalen Drehmomentspezifikation von 10001 b ft. Das Dynamometer wurde vor dem Beginn der Tests kalibriert. Zusätzlich wurde das Dynamometer nach einer Kalibrierungsabweichung infolge der Erhitzung des Dehnungsmessers überprüft und wurde zwischen jedem Auszug wieder auf Null gestellt.
  • Für die Überwachung von Emissionen wurde ein NOVA Modell Nummer 7550/B verwendet, um CO, CO2, O2, NO, NO2, NO,; zu messen. Das Instrument wurde durch ein FSESC modifiziert, um die Ergebnisse an einen Analog-/Digitalanschluss auszugeben, der in einem IBM-kompatiblen 286er Computer angebracht war. Das NOVA-Instrument wurde unter Verwendung von Gasen mit zertifizierter Spanne kalibriert. Das NOVA wurde bei Raumtemperatur auf Null gestellt und wurde unter Verwendung von 35 PPM zertifiziertem NO2-Spannengas, 1402 PPM N-Hexan (Kohlenwasserstoff), 8.993% Kohlenmonoxid und 17,490% Kohlendioxid auf Null gestellt. Die bei diesem Test gemessenen Kohlenwasserstoffe wurden nicht in Spezies unterteilt, um die genaue Zusammensetzung der Gesamtheit festzulegen. Es ist allgemein bekannt, dass etwa 80 bis 90% der gesamten Kohlenwasserstoffe aus Methan-Kohlenwasserstoffen bestehen. Die Methan-Kohlenwasserstoffe sind nicht fotoreaktiv und werden im allgemeinen nicht als signifikanter Umweltverschmutzer betrachtet.
  • Die NO2-Spannen-Gasflasche enthielt eine Auskleidung, um eine etwaige Reaktion zwischen dem Gas und der Flasche zu verhindern. Das Instrument wurde auf einen Null-Drift vor und nach jedem Test überpruft. Außerdem wurde die Spanne vor und nach jeder Testabfolge gepruft. Daten wurden nur dann akzeptiert, wenn sich sowohl die Nullstellung als auch die Spanne innerhalb der Limits der Instrumentierung wiederholten.
  • Das Emissions-Aufnahmerohr wurde in dem Sammelrohr 14 Inch von Hauptrohren entfernt angebracht. Für die Abgasförderung wurden nur Rohre aus rostfreiem Stahl und Teflon verwendet.
  • Die folgenden Motor- und atmosphärischen Bedingungen und Uberwachungsvorrichtungen wurden während des Tests verwendet und vom Dynamometer gesammelt: Öldruck, Abgastemperatur, Wassertemperatur, U/min, Drehmoment, barometrischer Druck, Feuchtigkeit, Verdichter-Lufttemperatur, Luft- und Öltemperatur. Die Luftmasseströmung wurde unter Verwendung einer auf 6" kalibrierten Turbine gemessen, die am Vergaser unter Verwendung eines Metallkrümmers von 6"-Blech angebracht war. Die Abgastemperatur jedes Zylinders wurde unter Anwendung eines Thermometallelements vom K-Typ überwacht, das in einer Aluminiumplatte angebracht war, die zwischen dem Kopf und dem Abgaskrümmer angeschraubt war. Die Thermoelemente wurden montiert, um die Abgastemperatur abzunehmen, wobei im Zentrum des Abgasstroms abgelesen wurde.
  • Für die Kraftstoffströmung wurde das Gemisch von CNG und Wasserstoff in einen Mikrobewegungs-Masseströmungssensor vom Modell CMF 025 eingeleitet. Der Mikrobewegungs-Sensor arbeitet unter Anwendung des Corioliseffekts, was die Notwendigkeit von Turbinen und Lagern ausschaltet, wodurch die Genauigkeit und Wiederholbarkeit der Gasströmungsmessungen wesentlich erhöht wird. Der Sensor wurde durch Mikrobewegung kalibriert und hatte eine zertifizierte Genauigkeit von 0,44% bei einer Strömungsrate von 25 lbs pro Stunde.
  • Jeder der Testläufe wurde bei 17 Pferdestärken und 1700 U/min ausgeführt. Der Test wurde auf diesem Niveau durchgeführt, um einen Niederleistungslastwagen zu simulieren, der auf einer asphaltierten Straße mit 55 mph fuhr.
  • Jeder dieser fünf Tests umfasste variierende Gemischpegelvolumen von Wasserstoff mit Erdgas. Die Ergebnisse der Tests 1–5 sind in den nachstehenden Tabellen 1, 2, 3, 4 und 5 aufgeführt.
  • Test 1 0% Wasserstoff und 100% Erdgas
  • Siehe die für die Tabelle 1 beigefügte Seite 16.
  • In Tabelle 1 war bei einem Äquivalenzverhältnis von 1 auf der stöchiometrischen Skala das NOx jenseits der Skala des NOVA-Instruments. Bei einem Äquivalenzverhältnis von 0,83333 war das NOx steil abgefallen, die Kohlenwasserstoffe begannen jedoch steil anzusteigen. Dies war ein Hinweis darauf, dass der Motor an oder nahe an dem Limit einer mageren Verbrennung ist. Obwohl eine kontinuierliche Reduktion des Äquivalenzverhältnisses eine scharfe Reduktion im NOx ergab, kam es zu Fehlzündungen des Motors.
  • Figure 00160001
  • Test 2 11% Wasserstoff und 89% Erdgas
  • Siehe die für Tabelle 2 beigefügte Seite 18.
  • Dieser Test in Tabelle 2 begann bei einem Äquivalenzverhältnis von 1,25. Das NOx betrug annähernd 450 ppm. Das NOx stieg steil an, wenn das Luft-/Kraftstoffgemisch mager gestaltet wurde. Bei einem Äquivalenzverhältnis von etwa 1,1 war das NO, über die Instrumentenkapazität hinausgegangen. Bei einem stöchiometrischen Verhältnis (einem Äquivalenzverhältnis von 1) beginnt das NOx steil abzufallen und ist gegenüber demjenigen, das ohne Hinzufügung von Wasserstoff beobachtet wird, geringer. Wenn dieses Gemisch mager gestaltet wird, fällt das NOx weiter steil ab und die Kohlenwasserstoffe beginnen wieder stark anzusteigen. Der Steigungsgrad ist jedoch geringer als bei reinem Erdgas beobachtete.
  • Test 2 wurde mit einem Äquivalenzverhältnis von 0,666 abgeschlossen. Obwohl sich der Motor nicht am mageren Limit zu befinden schien, waren die Kohlenwasserstoffe über akzeptable Limits angestiegen.
  • Test 3 20% Kohlenwasserstoff und 80% Erdgas
  • Siehe die für Tabelle 3 beigefügte Seite 19.
  • In Test 3 befindet sich bei stöchiometrischem Verhältnis das NOx wiederum jenseits des Limits der Messinstrumente. Bei einem Äquivalenzverhältnis von 0,95 (leicht mager) fällt das NOx steil ab. Das NOx fällt weiter ab, wenn das Äquivalenzverhältnis auf einen Wert von 0,625 reduziert wird, bei dem der Test abgeschlossen wurde. Der Test wurde beendet, da der Motor wieder Fehlzündungen aufzuweisen schien und offensichtlich über den betriebsfähigen Limits war.
  • Figure 00180001
  • Figure 00190001
  • Test 4 28% Wasserstoff und 72% Erdgas
  • Siehe die für Tabelle 4 beigefügte Seite 21.
  • Beim Test 4 mit stöchiometrischem Verhältnis befindet sich das NOx wiederum jenseits des Limits der Messinstrumente und verblieb über diesem Limit der Messinstrumente bei einem Äquivalenzverhältnis von 0.95. Wenn das Luft-/Kraftstoffverhältnis bis auf eine fiquivalenz von 0,87 mager gestaltet wurde, fiel das NOx steil ab. Der Test wurde wiederum bei einem Äquivalenzverhältnis von etwa 0,9625 abgeschlossen, wobei das NOx bei etwa 16,5 ppm gemessen wurde. Beim Motor wurden wieder Fehlzündungen beobachtet, obwohl keine Zylinderdruckablesungen vorgenommen wurden, um diese Tatsache zu bestätigen. Es ist anzumerken, dass die Kohlenwasserstoffe bei 104 ppm festgestellt wurden.
  • Test 5 36% Wasserstoff und 64% Erdgas
  • Siehe die für Tabelle 5 beigefügte Seite 22.
  • Beim Test 5 unter stöchiometrischem Verhältnis waren die NOx-Pegel jenseits der Messgrenze der Instrumente. Die NOx-Pegel fielen bei einem Äquivalenzverhältnis von 0,91 steil ab. Die NOx-Pegel fielen bis zum Abschluss des Tests bei einem Äquivalenzverhältnis von annähernd 0,625 weiter ab. Das NOx hat einen unteren Wert von etwa 12 ppm. Die Kohlenwasserstoffe haben einen Maximalwert von 105 ppm. Dies ist in etwa der gleiche wie der der während des 30%-Wasserstoff-Tests gemessenen Kohlenwasserstoffe. Der Test wurde beendet, bevor ein steiler Anstieg der Kohlenwasserstoffe erfolgte, womit angezeigt wurde, dass der stotternde Gang (roughness) nicht durch Betreiben des Motors jenseits des mageren Limits verursacht wurde.
  • Figure 00210001
  • Figure 00220001
  • Zusammenfassung von Test 1–5
  • Der Zweck von Test 1 bis 5 bestand darin, zu bestimmen, ob das magere Limit von Erdgas durch Einleiten von Wasserstoff, H2, heraufgesetzt werden kann. Die angewandte Hypothese war die, dass je magerer der Motor betrieben werden konnte, ohne zu einer mageren Fehlzündung überzugehen, um so niedriger das NOx wäre, während nur gemäßigte Zunahmen bei den Kohlenwasserstoffen, HCs, stattfanden. HCs wurden nicht als Hauptproblem betrachtet, da HCs mit Katalysatoren reduziert werden können.
  • Die 1 bis 20 zeigen Teilansichten der NOx- und Kohlenwasserstoffemissionen bei verschiedenen Pegeln von Wasserstoff in Erdgas und bei verschiedenen Äquivalenzverhältnissen.
  • Sowohl Gemische von 28% Wasserstoff und 36$ Wasserstoff ergaben sehr niedrige NOx-Pegel bei einem Äquivalenzverhältnis von 0,625. Siehe 13–20. Die extrem niedrigen NOx-Pegel von 28 ppm (0,21 gm/HpHr) und 12 ppm (0,10 gm/HpHr) waren jeweils unerwartet. Es sei darauf hingewiesen, dass alle Emissionsablesungen an dem Abgaskrümmerauslass vorgenommen wurden. Am getesteten Motor befand sich keine Emissionssteuerausrüstung und es gab keinen katalytischen Wandler. Die Pegel von NOx bei Gemischen mit 28% und 36% Wasserstoff lagen wesentlich unter den striktesten Luftqualitätsstandards. Beispielsweise erfordern heutige Luftqualitätsstandards in Japan NOx-Emissionen, die unter 200 ppm liegen. Dieser Standard ist extrem schwierig zu erfüllen und ist nie ohne eine erhebliche Emissionssteuerausrüstung am Motor erfüllt worden, basierend auf dem den Erfindern bekannten Stand der Technik.
  • Es wird wieder auf die 2 und 4 bei 0% Wasserstoff eingegangen. Obwohl bei einem Äquivalenzverhältnis von 0,75 der NOx-Pegel signifikant abfiel, stiegen die Kohlenwasserstoffe mit etwa der gleichen Rate an, was auf unstabile Betriebsbedingungen hindeutete. Das gleiche Ergebnis kann bei den 6 und 8 (11% Wasserstoff) und bei den 10 und 12 (20% Wasserstoff) festgestellt werden. Das magere Limit erstreckt sich jedoch von etwa 0,75 Äquivalenzverhältnis bei 0% Wasserstoff bis 0,67 Äquivalenzverhältnis bei 20% Wasserstoff. Ein Betrieb des Motors bei diesen mageren Limits ist nicht durchführbar, da eine sehr geringe Änderung bei dem Luft-/Kraftstoffverhältnis eine sehr erhebliche Zunahme bei den NOX-Pegeln oder eine sehr starke Zunahme bei den Kohlenwasserstoffpegeln ergibt. Wenn die Wasserstoffkonzentration auf 28% erhöht wurde, besteht kein Punkt mehr, an dem die Kohlenwasserstoffe abrupt ansteigen, wie bei allen niedrigeren Wasserstoffpegeln zu beobachten war, womit eine magere Verbrennung eine gangbare Option darstellt. Das gleiche Ergebnis wurde bei Konzentrationen von 36% Wasserstoff festgestellt, wie in den 17 und 18 zu ersehen ist.
  • Die Testergebnisse zeigen, dass extrem niedrige NOx-Pegel mit akzeptabel moderaten Zunahmen an nicht verbrannten Kohlenwasserstoffen bei Anwendung von 28%- und 36%-Wasserstoffzusätzen möglich sind. Frühere Forschungen, die bei 20% Wasserstoff durchgeführt wurden, wiesen nicht auf eine ausreichend signifikante Reduktion hin, um das Gemisch und Erdgas als gangbare Lösung des Problems zu betrachten, extrem niedrige NOx-Pegel von 20% und darunter zu erzeugen. Die erhebliche NOx-Reduktion wurde realisiert, wenn der Wasserstoffpegel auf etwa 30% angehoben wurde und der Motor näher am mageren Limit betrieben wurde. Außerdem wurde das magere Limit der Verbrennung erheblich durch die erhöhten Wasserstoffpegel heraufgesetzt. Die festgestellten NOx-Pegel liegen in einer Größenordnung unterhalb den striktesten aktuellen Anforderungen. Dieser NOx-Pegel wurde ohne katalytische Wandler oder andere emissionsreduzierende Hardware am Motor erzielt.
  • Die Tests und die darauf bezogenen Daten zeigen, dass Pegel bis zu etwa 50% Wasserstoff bei Brennkraftmaschinen angewandt werden können. über 50% Wasserstoffgas in Gemisch könnte möglicherweise Probleme bezüglich der Lagerung und Sicherheit erzeugen. Die spezifischen Gemischbeträge von etwa 21 bis 50% Wasserstoff können jedoch durch die Motorgröße (4, 6, 8 Zylinder) und Regelungsprobleme weiter eingeengt werden.
  • Erdgas wurde zwar als hauptsächlich Methan-aufweisend betrachtet, Erdgas kann aber auch andere Bestandteile in viel kleineren Mengen aufweisen. Außer dass es hauptsächlich Methan enthält, kann Erdgas Kohlendioxid, Stickstoff, Äthan, Propan, Iso-Butan, N-Butan, Iso-Pentan, N-Pentan und Hexan Plus aufweisen.
  • Die getestete Maschine verwendete zwar keinen katalytischen Wandler, es könnte jedoch einer hinzugefügt werden. Die Kohlenwasserstoffpegel bei 28% und 36% Wasserstoff bei einem Äquivalenzverhältnis von 0,625 betrugen beide etwa 104 ppm (0,84 gm/HpHr). Da etwa 15% der Kohlenwasserstoffe photoreaktiv sind, betragen die gesamten reaktiven Kohlenwasserstoffe etwa 16 ppm (0,13 gm/HpHr). Dieser Pegel von Kohlenwasserstoffemissionen ist extrem niedrig, und es besteht die Möglichkeit, die gesamten Kohlenwasserstoffe auf nahe Null durch die Verwendung eines katalytischen Wandlers zu reduzieren.
  • Gemische von Wasserstoff und Erdgas können durch bekannte Verfahren gemischt werden, wie zum Beispiel sonische Mischung oder einfaches Einspritzen von Wasserstoff in Erdgas oder Einspritzen von Erdgas in Wasserstoff.
  • Das alternative Kraftstoffgemisch ist in dieser Erfindung zwar erfolgreich mit bestehenden Brennkraftmaschinen eingesetzt worden, Modifikationen bei bestehenden Maschinen können jedoch vorgenommen werden, um die Maschinenleistung, zum Beispiel in Pferdestärken, zu verbessern. Beispielsweise kann der hier offenbarte alternative Kraftstoff bei Brennkraftmaschinen verwendet werden, die zum Beispiel durch Turboladen, Motoreinstellungen (Zündung, Zündkerzen), Nockenwellen-, Ansaugkrümmer- und Zylinderkopfmodifikationen, Kompressionsverhältnisse und das Einspritzsystem und Kombinationen derselben modifiziert werden, jedoch nicht auf diese beschränkt sind.
  • Die Erfindung ist zwar in ihrem Einsatz für mobile Fahrzeuge, wie zum Beispiel Acht (8)-Zylinder Kraftfahrzeuge beschrieben worden, die Erfindung würde jedoch auch auf verschiedene Motoren anderer Größe, wie zum Beispiel mit mobile Maschinen vier(4)-, sechs(6)- und zwölf(12)-Zylindern Anwendung finden. Ferner kann die offenbarte Erfindung mit Maschinen anderer Größe eingesetzt werden, wie zum Beispiel Rasenmäher, Motoren, Lastwagen, Lieferwagen, Luftfahrzeuge und Züge, ist jedoch nicht auf diese beschränkt.
  • Drosselklappensteuerung mit variablem Luft-/Kraftstoffverhältnis
  • Dieser Abschnitt der Erfindung behandelt eine variable Luft-/Kraftstoffverhältnis-Steuerung, welche Emissionen und die Leistungsabgabe für Anwendungen mit magerer Verbrennung optimiert. Die 21A und 21B sind ein Ablaufdiagramm zur Darstellung eines bevorzugten Betriebs der erfindungsgemäßen Drosselklappensteuerung. 22 ist ein schematisches Diagramm zur Darstellung einer bevorzugten Systemsteuerverbindung zur Anwendung der erfindungsgemäßen Drosselklappensteuerung. Vor der Erläuterung dieser Figuren wird nun ein Hintergrund für diese Erfindung dargelegt.
  • Testergebnisse haben darauf hingewiesen, dass Motoren mit Fremdzündung (SI = spark ignition) mit einem Äquivalenzverhältnis von etwa 0,5 bei annähernd 35 Volumenprozent Wasserstoff in Methan arbeiten können. Die Emissionen während dieses Tests betrugen NOx von etwa 8 ppm und HC von etwa 845 ppm. Dieser Test wurde bei der vorher erläuterten Maschine ausgeführt. Die maximale Motorleistung betrug 93 Pferdestärken bei einem Äquivalenzverhältnis von etwa 0,625, während die maximale Motorleistung 24 Pferdestärken bei einem Äquivalenzverhältnis von 0,5 betrug. Damit ist das optimale Äquivalenzverhältnis eine Funktion der erwünschten Emissionen und der Leistung. Ein Variieren des Äquivalenzverhältnisses liefert einem Fahrzeug dynamisch die nötige Leistung, während sie Emissionen des Fahrzeugs minimiert. Das optimale Äquivalenzverhältnis ist damit eine Funktion des Prozentsatzes der Wasserstoffanreicherung, der gewählten NOx- (schädigendes Oxid) und HC- (Kohlenwasser stoff) Pegel, der Konfiguration der Motorgestaltung (Zylindergröße, Zylinderverdrängung, Kopfdimensionen und dergleichen) sowie der gewünschten Leistungsabgabe.
  • Ein hinsichtlich dieser Parameter (Anreicherung an Wasserstoff, NOx, HC, Motorgestaltung) optimiertes System erzeugt weniger Energie als sie erzeugt werden könnte, wenn der Motor mit annähernd stöchiometrischem Verhältnis betrieben würde. Bei diesem System liegen die Emissionspegel von NOx und der gesteuerten HCs in der Größenordnung von etwa 25 ppm oder weniger. Außerdem liegt der CO-Ausstoß in der Größenordnung von etwa 1% oder weniger. Diese Emissionspegel würden das Fahrzeug für einen ULVE-Status (ULVE = Ultra Low Vehicle Emission) qualifizieren, wie er von der California Air Resources Board (CARB) aufgestellt wurde. Das System zum Einleiten von Kraftstoff und Luft in den Motor kann entweder ein Vergasersystem oder ein Kraftstoffeinspritzsystem verwenden, wie sie vorher im Hintergrundabschnitt der Erfindung beschrieben wurden. Die vorbekannten Systeme sind jedoch nach wie vor begrenzt, da zusätzliche Energie für steile Steigungen, Einfädeln an Autobahnen und Überholvorgänge erforderlich wären. Bei den vorbekannten Systemen könnte eine weit geöffnete Drosselklappe immer noch bewirken, dass der Motor nicht genügend Leistung für die extremen Bedingungen erzeugt. Bei der vorliegenden Erfindung kann das Luft-/Kraftstoffverhältnis während der weit geöffneten Drosselklappe zu einem stöchiometrischen Verhältnis verschoben werden. Damit wird das Luft-/Kraftstoffverhältnis bei der vorliegenden Erfindung auf ein stöchiometrisches Verhältnis als Funktion des augenblicklichen Leistungsbedarfs verschoben.
  • Die neuartige Drosselklappensteuerung kann ein "Vergaser"- oder "Kraftstoffeinspritz"-System anwenden. Für ein Vergasersystem kann ein sekundäres Bedarfsreglersystem parallel zu dem standardmäßigen Bedarfsregelsystem betrieben werden. Das standardmäßige Bedarfsregelsystem kann so eingestellt werden, dass es ein optimales Luft-/Kraftstoffverhältnis aufrechterhält. Wenn die Drosselklappen im Primärsystem weit geöffnet sind, wird das Sekundärsystem aktiviert.
  • Das Sekundärsystem liefert dem System zusätzlichen Kraftstoff als Funktion des Systembedarfs und der Drosselklappen-Pedalposition bzw. Gaspedalposition.
  • Die 21A und 21B sind ein Ablaufdiagramm zur Darstellung einer bevorzugten Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Drosselklappensteuerung. Bei dem Einspritzsystem kann die standardmäßige elektronische Steuereinheit (ECU = electronic control unit), wie zum Beispiel die Steuereinheit 10 des US-Patents 4 730 590 im Namen von Sagawa, die hier durch Bezugnahme aufgenommen ist, programmiert werden, um den Algorithus zu implementieren. Gemäß 21A dient der Schritt 110 dazu, vom Start an die Motorgeschwindigkeit (U/min) N, die Luftmasseströmung Q und die Kraftstoffmasseströmung Ff zu berechnen. Der Schritt 120 dient dazu, die Drosselklappenposition Tp, die Geschwindigkeit der Drosselposition dTp/dt sowie die Beschleunigung der Drosselposition dTP/dt2 zu berechnen. Der Schritt 130 dient zur Berechnung aktueller Emissionen. Der Schritt 140 dient zur Berechnung des gewünschten Luft-/Kraftstoffverhältnisses AFd, das eine Funktion akzeptabler Emissionspegel, der gewünschten Fahrzeugs- und Beschleunigungswerte, die oben berechnet wurden, ist. Der Schritt 150 dient zur Berechnung des tatsächlichen Luft-/Kraftstoffverhältnisses AFa, das aus Q und Ff berechnet wird. Der Schritt 160 dient zur Berechnung des Drucks im Zylinder Cpr des mittleren Drucks im Zylinder C pr, der Standardabweichung des Drucks im Zylinder σCpr und eines Z-Werts gleich

    Figure 00280001
    .

    Der Schritt 200 von 21A geht an die Spitze von 21B. Der Schritt 210 dient dazu, δ zu berechnen, das gleich dem gewünschten Luft-/Kraftstoffverhältnis AFd minus dem tatsächlichen Luft-/Kraftstoffverhältnis AFa ist. Der Schritt 220 beinhaltet, falls δ = 0 und Z < 1,0, bei Box 222 keine Änderung erfolgt und zu Schritt 100 übergegangen wird. Falls δ = 0 und Z > 1,0, besteht eine größere Zylinderdruckabweichung, als sie normalerweise erwartet wurde. Gehe zu Schritt 224, um Pw zu erhöhen, die Pulsbreite des Injektors, der den Kraftstoff erhöht, und setze einen Motoralarm 226, der eine Armaturenbrett-Warnlampe sein kann, dass der Motor eine Fehlfunktion aufweist und dass der Fahrer den Motor überprüfen sollte. Falls δ < 0, gehe zu Schritt 232 und erhöhe Pw, was die Kraftstoffzufuhr zum Motor erhöht und gehe dann zu Schritt 100. Falls δ nicht < 0 ist, gehe zu Schritt 240 und überprüfe Z. Falls Z < 1 ist, gehe zu Schritt 242 und verringere die Kraftstoffmenge zum Motor, senke Pw ab und gehe dann zu Schritt 100 über. Falls Z nicht < 1 ist, gehe zu Schritt 250, reduziere Pw und setze den Motoralarm 260, dass eine Fehlfunktion des Motors vorliegt, und gehe dann zu Schritt 100 über.
  • 22 ist ein schematisches Diagramm zur Darstellung eines bevorzugten Systems der Steuerverbindungen zur Verwendung des Drosselsteuer-Algorithmus der 21A und 21B bei der Brennkraftmaschine 10 in einem mobilen Fahrzeug. Luft wird durch den Ansaugkrümmer 1 eingeleitet, und das Volumen kann durch einen Sensor 2 gemessen werden, dessen Ausgabe zur Steuereinheit 14 eines Computers gesendet wird, welcher die Algorithmus-Ablauftabelle betreibt, die vorher in den 21A und 21B dargestellt wurde. Die Position der Drosselklappe kann durch den Sensor 3 festgelegt werden. Der Sensor 3 kann so konfiguriert sein, dass wenn die Drosselklappe voll geöffnet ist (parallel zu der Ansaugluft), die Drosselklappe einen zusätzlichen Wasserstoff- und Erdgasgemisch zurücklegen kann, um einer Bedienungsperson (Fahrer) einen erhöhten Leistungsbedarf anzuzeigen. Eine Komponente 4 kann das Kraftstoffeinspritzelement sein, dessen Pw Pulsbreite durch die Steuereinheit 14 gesteuert wird. Wenn die Pulsbreite zum Einspritzelement 4 erhöht wird, kann das Luft-/Kraftstoffverhältnis (φ) erhöht werden. Die Komponente 5 ist der Kraftstoff-Masseströmungssensor, der auch eine Eingabe für die Steuereinheit 14 liefert. Die Komponente 6 ist der Emissionssensor, der in den Schalldämpfer 12 eintretendes NOx, CO, CO2, THC , NMOG und O2 überwachen kann. Der Sensor 7 ist der Temperatursensor des Motors 10. Der Sensor 8 ist der Kurbelwinkelsensor, der zur Bestimmung der Geschwindigkeit des Motors 10 verwendet wird, und welcher der Zylinder gerade gezündet wird. Der Sensor 9 ist der Druckwandler im Zylinder für den Motor 10. Für jeden Zylinder des Motors besteht ein separater Wandler 9 im Zylinder. Die Steuereinheit 14 kann auch den in das Einspritzelement 4 über die Kraftstoffzufuhr 16 eintretenden Kraftstoff steuern. Die Kraftstoffzufuhr 16 kann ein Hochdruckgemisch von Erdgas (CH4) und Wasserstoff (H2) in einem Mischungsverhältnis speichern, wie das in Beziehung mit der Erläuterung der 1 bis 20 vorstehend beschriebene. Alternativ kann die Kraftstoffzufuhr 16 separate Behälter von Erdgas (d. h. CH4) und Wasserstoff (H2) speichern. Beispielsweise kann CH4 in einem Hochdruckzylinder gespeichert werden. Für eine separate Speicherung kann Wasserstoff, H2, entweder in einem Hochdruckzylinder, in einer Hydridform oder in einer cryogenen Form gespeichert werden. Ferner könnte der separat gespeicherte Wasserstoff an Bord des Fahrzeugs durch einen Reformierprozess von CH4 erzeugt werden. Bei einer separaten Speicherung kann das Verhaltnis von CH4 und H2 dynamisch variiert und durch die Steuereinheit 14 als Funktion der ausgegebenen Emissionen und der Motorleistung gesteuert werden.
  • Der Algorithmus in unserer Erfindung hält das Luft-/ Kraftstoffverhältnis auf einem Optimalwert für die Emission, während sich die Motorleistung unter der Steuerung der Drossel befindet. Experimente weisen darauf hin, dass viele Brennkraftmaschinen bei etwa Φ = annähernd 0,625 am besten arbeiten. Dies muss jedoch individuell für jede unterschiedliche Motorkonfiguration festgelegt werden.
  • Das gesamte System befindet sich unter der Kontrolle des Fahrers. Der Übergang von dem festen Luft-/Kraftstoffverhältnis zu dem variablen Luft-/Kraftstoffverhältnis kann automatisch sein, wobei der Fahrer die Änderung nicht bemerkt. Alternativ kann das System eine zusätzliche Krafteinwirkung auf das Gaspedal erfordern, um den Fahrer davon zu verständigen, dass das Fahrzeug nun in dem optimalen Bereich betrieben wird.
  • Obwohl die Ausführungsform und die schematische Darstellung des Steueralgorithmus zur Verwendung mit einem gasförmigen Wasserstoff-Kraftstoff beschrieben wurde, könnte die Erfindung auch auf andere Arten von Kraftstoffen mobiler Fahrzeuge angewandt werden, die eine extrem magere Verbrennungsbedingung ertragen können.
  • Die Erfindung wurde zwar in verschiedener Hinsicht der bestimmten Ausführungsformen oder Modifikationen, die sie in der Praxis angenommen hat, beschrieben, offenbart, veranschaulicht und dargestellt, der Schutzumfang der Erfindung soll jedoch nicht dadurch eingeschränkt werden, und andere Modifikationen oder Ausführungsformen, die durch die hier dargestellten Lehren angeregt werden, sind speziell vorbehalten, insbesondere wenn sie in die breite Auslegung und den Schutzumfang der hier beifügten Ansprüche fallen.

Claims (15)

  1. Ein Verfahren zum Erzeugen einer mageren Verbrennung (unter stoichometrisch) und von NOX-Emissionswerten nahe Null bei einem Verbrennungsmotor eines Fahrzeuges, verglichen mit den Verbrennungs- und Emissionswerten eines Flüssigkraftstoffes, mit den Schritten: Zuführen eines alternativen gasförmigen Kraftstoffgemisches zu einem Verbrennungsmotor eines Fahrzeuges, wobei das Gemisch aus mehr als 21% und bis zu etwa 50% Wasserstoffgas besteht und der Rest Erdgas bzw. Naturgas ist, und Betreiben des Verbrennungsmotors bei einer mageren Verbrennung mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis von weniger als 1.0.
  2. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Erdgas bzw. Naturgas ferner Bestandteile umfasst, die aus mindestens einem der folgenden gewählt sind: Methan, Kohlendioxid, Stickstoff, Ethan, Propan, Iso-Butan, N-Butan, Iso-Pentan, N-Pentan und Hexan Plus.
  3. Das Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei der Wasserstoffanteil des Gemisches umfasst: etwa achtundzwanzig (28) bis etwa zweiundvierzig (42) Prozent Wasserstoff.
  4. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Fahrzeugmotor ferner umfasst: einen Automobilmotor, einen Rasenmähermotor oder einen Zugmotor.
  5. Das Verfahren gemäß einem der vorangehenden Patentansprüche, wobei der Betriebsschritt ferner umfasst: ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis von etwa 0,6.
  6. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Kraftstoffgemisch aus von etwa 28 bis etwa 36% Wasserstoffgas besteht, wobei der Rest Erdgas bzw. Naturgas ist, und der Verbrennungsmotor bei einer mageren Verbrennung mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis von etwa 0,6 betrieben wird.
  7. Das Verfahren gemäß einem der vorangehenden Patentansprüche, das ferner den Schritt des Einstellens des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses umfasst, derart, dass Kohlenwasserstoff mit einem Wert von weniger als 104 ppm (0,84 gm/hp hr) emittiert wird.
  8. Das Verfahren gemäß einem der vorangehenden Patentansprüche, ferner mit dem Schritt: dynamisches Einstellen des gasförmigen Kraftstoffgemisches während des Betriebs des Fahrzeuges basierend auf Motorleistungsanforderungen und Emissionen.
  9. Ein Steuersystem zum Variieren von Luft-Kraftstoff-Verhältnissen eines Verbrennungsmotors, der bei einer mageren Verbrennung läuft, mit verringerten Emissionen während Zyklen plötzlicher Leistungsanforderungen, welches geeignet ist, Fehlzündungen des Motors zu verhindern und welches umfasst: einen Verbrennungsmotor eines Fahrzeuges, der zum Betrieb mit einer Kraftstoffzufuhr eingerichtet ist, die aus mehr als 21% bis zu etwa 50% Wasserstoffgas besteht und der Rest Erdgas bzw. Naturgas ist, eine Luft-Kraftstoffsteuerung zum Einhalten des an den Motor gelieferten Kraftstoffes in einem gewählten Luft-Kraftstoff-Verhältnis von weniger als 1,0, um einen Zustand einer mageren Verbrennung zu erreichen, einer Drossel zum Steuern der Menge an Kraftstoff, die an den Motor geliefert wird, wobei die Drossel Positionen von einer geschlossenen Position bis zu einer ganz geöffneten Position aufweist, und einen bei der ganz geöffneten Position der Drossel aktivierten Sensor, wobei der aktivierte Sensor bewirkt, dass die Luft-Kraftstoffsteuerung den Anteil des Kraftstoffs in dem gewählten Luft-Kraftstoff-Verhältnis erhöht.
  10. Das Steuersystem gemäß Anspruch 9, eingerichtet zum Betrieb bei einer Kraftstoffzufuhr, die umfasst: ein Gemisch von etwa 28% bis etwa 42% Wasserstoffgas, wobei der Rest Erdgas bzw. Naturgas ist.
  11. Das Steuersystem gemäß Anspruch 9, das eingerichtet ist zum Betrieb bei einer Kraftstoffzufuhr, die umfasst: ein Gemisch von etwa 28 bis 36% Wasserstoffgas, wobei der Rest Erdgas bzw. Naturgas ist.
  12. Das Steuersystem gemäß Anspruch 9, wobei die Luft-Kraftstoffsteuerung umfasst: einen Vergaser oder eine Kraftstoff-Einspritzsteuerung.
  13. Das Steuersystem gemäß Anspruch 9, wobei das gewählte Luft-Kraftstoff-Verhältnis gesteuert wird durch: Motorgeschwindigkeit bzw. -drehzahl, Zündzeitfolge, Luftstrom und Drossel-Pedalstellung.
  14. Das Steuersystem gemäß Anspruch 13, wobei das gewählte Luft-Kraftstoff(-Verhältnis) ferner gesteuert wird durch mindestens eines der folgenden: Zylinderinnendruck, Abgasemissionen und Kraftstoffstrom.
  15. Das Steuersystem gemäß Anspruch 14, welches ferner umfasst: Mittel zum Einstellen von Gemischverhältnissen des Wasserstoffgases und des Erdgases, die dem Motor zugeführt werden, basierend auf Motorleistung und Emissionen.
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