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Gebiet der Erfindung
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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.
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Hintergrund der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 ...".
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Abriss der Erfindung
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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.
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Die zweite Aufgabe dieser Erfindung
ist es, ein Wasserstoff- und Erdgasgemisch bereitzustellen, welches
die schädlichen
Abgasemissionen wesentlich reduziert, die durch herkömmliche
Brennkraftmaschinen erzeugt werden.
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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.
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Die vierte Aufgabe dieser Erfindung
ist es, ein Wasserstoff- und Erdgasgemisch bereitzustellen, das bundesweiten
und staatlichen Emissionsanforderungen auf lange Sicht genügt.
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Die fünfte Aufgabe dieser Erfindung
ist es, ein Wasserstoff- und Erdgaskraftstoffgemisch bereitzustellen,
welches die Kosten des Kraftstoffs gegenüber Abgasemissionen optimiert.
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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.
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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.
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Die achte Aufgabe dieser Erfindung
ist es, eine Drosselklappensteuerung bereitzustellen, um eine magere
Vertikalrbrennung in einer standardmäßigen Brennkraftmaschine zu
erzielen.
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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.
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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.
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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.
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Die zwölfte Aufgabe dieser Erfindung
ist es, ein Verfahren zum Einstellen des Wasserstoff- und Methan-Brennstoffgemischverhältnisses
bereitzustellen, basierend auf Motorleistungsanforderungen und Emissionsanforderungen.
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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.
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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.
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Bes chreibung der
Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 eine
graphische Darstellung von Abgasemissionen bei Gemischen von Erdgas-
und 0% Wasserstoff in Teilen pro Million (PPM = parts per million)
gegenüber
dem Äquivalenzverhältnis,
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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,
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3 eine
graphische Darstellung von Abgasemissionen bei Gemischen von Erdgas
und 0% Wasserstoff in Gramm pro Pferdestärkenstunde (g/HpHr) gegenüber dem Äquivalenzverhältnis,
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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,
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5 eine
graphische Darstellung von Abgasemissionen bei Gemischen von Erdgas
und 11% Wasserstoff in Teilen pro Million (PPM) gegenüber dem Äquivalenzverhältnis,
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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,
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7 eine
graphische Darstellung von Abgasemissionen bei Gemischen von Erdgas
und 10% Wasserstoff in Gramm pro Pferdestärkenstunde (g/HpHr) gegenüber dem Äquivalenzverhältnis,
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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,
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9 eine
graphische Darstellung von Abgasemissionen bei Gemischen von Erdgas
und 20% Wasserstoff in Teilen pro Million (PPM) gegenüber dem Äquivalenzverhältnis,
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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,
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11 eine
graphische Darstellung von Abgasemissionen bei Gemischen von Erdgas
und 20% Wasserstoff in Gramm pro Pferdestärkenstunde (g/HpHr) gegenüber dem Äquivalenzverhältnis,
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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,
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13 eine
graphische Darstellung von Abgasemissionen bei Gemischen von Erdgas
und 28% Wasserstoff in Teilen pro Million (PPM) gegenüber dem Äquivalenzverhältnis,
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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,
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15 eine
graphische Darstellung von Abgasemissionen für Gemische von Erdgas und 30%
Wasserstoff in Gramm pro Pferdestärkenstunde (g/HpHr) gegenüber dem Äquivalenzverhältnis,
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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,
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17 eine
graphische Darstellung von Abgasemissionen bei Gemischen von Erdgas
und 36% Wasserstoff in Teilen pro Million (PPM) gegenüber dem Äquivalenzverhältnis,
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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,
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19 eine
graphische Darstellung von Abgasemissionen für Gemische von Erdgas und 40%
Wasserstoff in Gramm pro Pferdestärkenstunde (g/HpHr) gegenüber dem Äquivalenzverhältnis,
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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,
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21A und 21B ein Ablaufdiagramm zur Darstellung
eines bevorzugten Betriebs der Drosselklappensteuerung der Erfindung,
und
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22 eine
schematische Ansicht zur Darstellung bevorzugter Systemsteuerverbindungen
für die Verwendung
der erfindungsgemäßen Drosselklappensteuerung.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform
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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.
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Mit Wasserstoff
angereicherte Erdgas-Kraftstoffe
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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.
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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 |
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Test 1 0% Wasserstoff und
100% Erdgas
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Siehe die für die Tabelle 1 beigefügte Seite
16.
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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.
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Test 2 11% Wasserstoff und
89% Erdgas
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Siehe die für Tabelle 2 beigefügte Seite
18.
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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.
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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.
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Test 3 20% Kohlenwasserstoff
und 80% Erdgas
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Siehe die für Tabelle 3 beigefügte Seite
19.
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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.
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Test 4 28% Wasserstoff und
72% Erdgas
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Siehe die für Tabelle 4 beigefügte Seite
21.
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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.
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Test 5 36% Wasserstoff und
64% Erdgas
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Siehe die für Tabelle 5 beigefügte Seite
22.
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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.
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Zusammenfassung von Test
1–5
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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.
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Die 1 bis 20 zeigen Teilansichten der
NOx- und Kohlenwasserstoffemissionen bei
verschiedenen Pegeln von Wasserstoff in Erdgas und bei verschiedenen Äquivalenzverhältnissen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Drosselklappensteuerung
mit variablem Luft-/Kraftstoffverhältnis
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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.
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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.
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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.
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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.
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Das Sekundärsystem liefert dem System
zusätzlichen
Kraftstoff als Funktion des Systembedarfs und der Drosselklappen-Pedalposition bzw.
Gaspedalposition.
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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
F
f zu berechnen. Der Schritt 120 dient dazu,
die Drosselklappenposition T
p, die Geschwindigkeit
der Drosselposition dT
p/dt sowie die Beschleunigung
der Drosselposition dT
P/dt
2 zu
berechnen. Der Schritt 130 dient zur Berechnung aktueller Emissionen. Der
Schritt 140 dient zur Berechnung des gewünschten Luft-/Kraftstoffverhältnisses
AF
d, 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
AF
a, das aus Q und F
f berechnet
wird. Der Schritt 160 dient zur Berechnung des Drucks im Zylinder
C
pr des mittleren Drucks im Zylinder
C
pr,
der Standardabweichung des Drucks im Zylinder σC
pr und
eines Z-Werts gleich
.
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
AF
d minus dem tatsächlichen Luft-/Kraftstoffverhältnis AF
a 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 P
w 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
P
w, 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
P
w ab und gehe dann zu Schritt 100 über. Falls
Z nicht < 1 ist,
gehe zu Schritt 250, reduziere P
w und setze
den Motoralarm 260, dass eine Fehlfunktion des Motors vorliegt,
und gehe dann zu Schritt 100 über.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.