技术领域
[0001] 本
发明总体上涉及能够基于两种不同燃料操作的内燃发动机的设计和控制以及该发动机在不同燃料下的相对动力。
背景技术
[0002] 内燃发动机是基于如下原理操作的：即，点燃
气缸内的空气和
汽油(或其他燃料)的混合物以在气缸内引起燃烧，其中，通过使用气缸内的对
曲轴进行驱动的
活塞来将由此释放的
能量转换成机械能。诸如汽油燃料喷射器之类的燃料引入组件用于将汽油喷射到发动机的气缸或引入系统内。内燃发动机通常为自然吸气式的，意思是在
大气压力下从环境抽吸空气。由于空气燃料混合物在发动机的气缸内燃烧，所以气缸中产生不同类型的不需要的有毒且污染的气体，并且这些气体穿过排气系统到达通常被称为催化转化器的装置。
[0003] 通常，内燃发动机(尤其是用于
汽车的那些内燃发动机)使用汽油(或柴油)作为燃料，燃料在内燃发动机中燃烧时产生废气，一些废气为污染物和/或有毒物。能够使用其他污染较小的
碳基燃料或者甚至非碳基燃料，但这些燃料中的许多在与空气混合时不具有几乎用于动力输出的与燃烧汽油(即，与空气混合的汽油)时几乎相同的能量含量(即，“混合物热值”)。然而，期望的是，使用这些燃料中的一些，因为它们能够在燃烧过程中几乎不产生有毒或污染气体的所谓的“稀薄模式(lean mode)”操作中使用。以稀薄模式操作涉及发动机被操作所使用的
空燃比。特别地，发动机的
燃烧室中的空气和燃料的量的比例将确定发动机是以稀薄模式被操作还是以浓裕模式被操作。对于理想燃烧，发动机的腔室中用于燃烧的空气和燃料的量使得在燃烧后腔室中没有剩余残留的
氧或燃料，具体的空燃比被称为
化学计量空燃比。然而，实际空燃比可能不总是为化学计量的。实际空燃比与化学计量空燃比之比被称为λ。变量λ因而被数学地定义为：
[0004] (1)
[0005] 当λ＝1时，是在化学计量空燃比下操作发动机，因为如能够从上面的等式(1)看到的那样，实际空燃比等于化学计量空燃比。对于λ＜1的A值，说成发动机处于浓裕模式。对于λ＞1，说成发动机处于稀薄模式。如能够从上面的等式(1)看到的那样，相比于化学计量模式，在稀薄模式中更多的空气用于燃烧。因而，尽管以稀薄模式进行操作是更期望的，因为这种模式产生较少量的有害和/或污染气体，但发动机输出动力的损失加剧。由于相对低的燃料消耗，稀薄模式操作也导致发动机的相对高效的操作。由于传统的
汽油发动机通常不以稀薄模式运行，所以通常实现不了该相对高的效率。
[0006] 效率指的是用于限定的发动机输出动力的燃料消耗。发动机越高效地运行，用于特定发动机输出动力的燃料消耗就越低。提高发动机的效率导致降低发动机的燃料消耗。换言之，发动机能够通过消耗一定量的燃料来产生特定的输出动力，而同一发动机在高效运行时能够在消耗较少燃料的同时产生相同量的输出动力。提高内燃发动机的效率的一个方法是以稀薄模式来运行发动机。
发明内容
[0007] 本发明意在通过提供用于对双燃料发动机进行操作的装置、方法和系统，以及通过用于对发动机进行改装以将设计成利用第一燃料运行的发动机转换成能够也利用第二燃料运行的这种双燃料发动机的跨平台套件(cross platform kit)，来克服
现有技术的前述缺点。
[0008] 根据本发明，用于对使用第一燃料或第二燃料或者包括所述第一燃料和所述第二燃料的混合燃料的双燃料发动机进行操作的装置包括：处理器；燃料引入组件，该燃料引入组件由处理器控制并且安装到发动机上；空气
泵，该空气泵联接于发动机，并且受处理器的控制以利用第二燃料或混合燃料使用
质量控制优选地以稀薄模式及
增压模式来操作发动机，并且方法包括使用处理器来控制联接于双燃料发动机的燃料引入组件和空气泵，以使用第一燃料来操作发动机以及以在第二燃料或者包含第一燃料和第二燃料的混合燃料被使用时，使用质量控制优选地以稀薄模式及增压模式来操作发动机，并且更进一步地，其中，由第二燃料与空气的燃烧产生的废气的
焓少于由第一燃料与空气的燃烧产生的废气的焓。
[0009] 根据本发明的系统包括其中处理器和燃料引入组件可以位于相同
位置或者可以不位于相同位置的装置，并且跨平台套件包括处理器、空气泵和燃料引入组件，其中，处理器、空气泵和燃料引入组件安装在发动机上，使得处理器对空气泵和燃料引入组件进行控制，以使用第二燃料或混合燃料使用质量控制优选地以稀薄模式及增压模式来操作发动机。
[0010] 本发明的方法、装置和系统提供一种被设计用于利用第一燃料操作的发动机，该发动机借助于第一燃料产生一定的发动机输出动力，并且该发动机也被设计成利用第二燃料操作，该发动机借助于第二燃料产生较少的发动机输出动力。利用受处理器控制的空气泵来校准和改装发动机，以显著降低第二燃料被使用时发动机输出动力的损失。当在操作期间使用空气泵时，发动机被说成增压。也利用用于第二燃料的燃料引入系统来改装发动机，并且当使用第二燃料时，以稀薄模式同时使用质量控制来操作发动机以提高效率。发动机被校准以基于氢(或者任何其他类型的燃料)运行包括：确定发动机参数、计算发动机参数以及将发动机参数设定到某些值，以能够实现这种操作。改装发动机指的是，利用本发明的装置的各种部件将自然吸气式发动机、
涡轮增压式发动机或者增压式发动机改型和/或调整，以根据本发明的方法运行。
[0011] 本发明包括：空气泵，该空气泵能够联接于发动机；用于第二燃料的燃料引入系统或组件，该燃料引入系统或组件能够安装到发动机上或者安装在发动机内；以及处理器，该处理器控制燃料引入组件和空气泵，以使用第二燃料选择性地操作发动机。燃料引入组件可包括用于第一燃料和第二燃料的燃料输送系统(例如，用于第一燃料和第二燃料的燃料喷射器)。能够使用同一处理器来利用第一燃料操作发动机。当使用第二燃料时，本发明的处理器对空气泵进行控制，以便以增压模式来操作发动机，以增加发动机输出动力，并且处理器优选地以稀薄模式同时使用质量控制来操作发动机，以提高发动机的效率。因而，当利用第二燃料以非增压模式来操作时，自然吸气式发动机将具有显著降低的输出动力损失，并且所述发动机将使用稀薄模式操作和质量控制更高效地操作。第二气态燃料增压产生与自然吸气的第一燃料大致相同的动力输出。增压模式指的是，在利用发动机的废气来操作可以为
涡轮增压器的空气泵和/或由发动机的废气向空气泵提供动力的情况下，对发动机进行的操作。泵也能够为由来自处理器的电控制
信号或
电子控制信号操作的增压器(或者任何其他泵)。结果，当以增压模式操作时，发动机能够利用第二燃料产生与利用第一燃料相同的输出动力。
[0012] 在本发明的第一实施方式中，当第二燃料被使用时，本发明的装置、系统和方法对利用第一燃料操作(例如，汽油发动机)并且也利用
涡轮增压器操作的自然吸气式发动机进行改装及校准。选择涡轮增压器以便利用第二燃料进行适当操作，以允许发动机使用诸如氢气之类的第二燃料或者任何其他燃料以增压模式(涡轮增压器被致动)以及优选地以稀薄模式操作。在自然吸气操作中利用第二燃料来操作发动机导致发动机的输出动力的损失。然而，利用第二燃料(例如，气态燃料)以增压模式来操作发动机，从而由第二燃料的燃烧产生的废气用于驱动涡轮增压器，显著降低了发动机的输出动力的损失。发动机的输出动力因而由通过使用质量控制而喷射到发动机内的第二燃料的量来控制。质量控制为这样的技术：即，借助该技术，发动机的节流
阀被维持在充分打开的位置，也就是，借助该位置，被泵送到发动机内的空气的流不受到
节流阀位置的限制。对于不同类型的发动机，充分打开的位置将根据节流阀设计和
发动机转速而变化。“充分打开”指的是节流阀打开到一
定位置，以致于不限制进入到发动机内的空气流(通过涡轮增压器或增压器或空气泵而被泵送到发动机内的空气)。结果，显著降低了使用第二燃料的发动机的输出动力的损失，而发动机更高效地操作。对于该实施方式，涡轮增压器能够为可变涡轮几何形状(VTG)的涡轮增压器。
[0013] 在本发明的第二实施方式中，本发明的装置、系统和方法对涡轮增压式发动机或者增压式发动机(即，最初设计的带有涡轮增压器或者增压器的发动机)进行改装和校准，以允许发动机利用第二燃料优选地以稀薄模式操作。
[0014] 对于第二实施方式，在涡轮增压式发动机的情况下，增加被选择用于利用第二燃料进行适当操作的第二涡轮增压器。在利用第二燃料(例如，氢)操作期间，这种涡轮增压器被致动，而同时最初设计的涡轮增压器在这种操作期间失效或者被绕过。而且，当使用第二燃料时，受处理器控制的增压器可以用于以增压模式来操作发动机。
[0015] 对于第二实施方式，在增压式发动机的情况下，当发动机使用第二燃料(例如，氢)时，能够在适当的动力能量下操作增压器(即，电控或电子控制)以将适量的空气泵送到发动机内。而且，能够将涡轮增压器增加到发动机，以利用由第二燃料的燃烧产生的废气以增压模式来操作发动机。结果，对于增加第二涡轮增压器或者使用增压器的情形，由于第二燃料的使用而造成的动力损失被显著降低。与第一实施方式相同，当第二燃料被使用时，在稀薄模式操作期间使用质量控制。即，当使用第二燃料以稀薄模式来提高发动机效率时，发动机的节流阀被保持在充分打开的位置(即，不限制进入节流阀内的空气流)。发动机的输出动力则由被喷射到发动机内的第二燃料的量控制。
[0016] 在本发明的第三实施方式中，装置、系统和方法对涡轮增压式发动机进行改装并校准，其中，最初设计的涡轮增压器被移除，并且用设计成利用第一燃料或第二燃料的废气操作的新的涡轮增压器来替代最初设计的涡轮增压器。由第一燃料的燃烧产生的废气具有一定的第一焓或者焓范围。由第二燃料的燃烧产生的废气具有一定的第二焓或者焓范围。对于该实施方式和其他实施方式，应当理解，燃料的燃烧的意思是燃料与适量的空气的燃烧。该新的涡轮增压器被设计成使得其能够利用由第一燃料的燃烧或第二燃料的燃烧产生的废气操作(即，被适当地驱动)。这种涡轮增压器的一个具体示例为被设计成对于相对宽的
温度范围的废气操作的VTG涡轮增压器，这种类型的VTG涡轮增压器在下文中将被称为超VTG涡轮增压器。例如能够利用由汽油的燃烧或者氢的燃烧产生的废气来操作这种超VTG涡轮增压器。这种超VTG涡轮增压器在许多情况下能够用于利用第一燃料或者第二燃料操作。与其他实施方式相同，当利用第二燃料优选地以稀薄模式并且使用质量控制来操作发动机时，这种超VTG涡轮增压器显著降低了输出发动机动力的损失。在该实施方式中，对于增压发动机，能够使用类似的涡轮增压器，或者处理器能够对增压器进行控制，以操作不同类型燃料的发动机。
[0017] 在第一燃料为汽油而第二燃料为氢的情形中，发动机能够由用户选择性地操作为汽油发动机或者氢气发动机。下文中术语氢和氢气将被交替使用，以表示能够在该要求保护的本发明中使用的各种状态的氢。在该情况下，本发明的装置、系统和方法包括：处理器；空气泵，该空气泵联接于发动机并且被实施为涡轮增压器(或者增压器)，涡轮增压器(或者增压器)被选择用于利用第二燃料进行适当的操作；以及燃料引入组件，利用安装到发动机上的氢燃料喷射器和汽油燃料喷射器来实施该燃料引入组件，其中，处理器对氢燃料喷射器和涡轮增压器(增压器)进行控制，以操作使用氢气的发动机，当使用氢气(其产生比汽油较少的动力)时，使用质量控制优选地以增压模式(涡轮增压或者增压)及稀薄模式来操作发动机。因此，通过使用本发明的方法、装置和系统能够显著降低与诸如汽油之类的液态燃料相比由利用诸如氢或者其他气态燃料的燃料进行操作所产生的发动机输出动力的损失。
[0018] 本发明的方法、装置和系统提供被设计成利用第一燃料操作的发动机，该发动机借助于第一燃料产生一定的发动机输出动力，并且该发动机也被设计成利用第二燃料操作，该发动机借助于第二燃料产生较少的发动机输出动力。利用受处理器控制的空气泵来校准和改装发动机，以显著降低当第二燃料被使用时的发动机输出动力的损失。当在操作期间使用空气泵时，发动机被说成是增压。也利用用于第二燃料的燃料引入系统来改装发动机，并且当使用第二燃料时，以稀薄模式同时使用质量控制来操作发动机以便提高效率。校准发动机以基于氢(或者任何其他类型的燃料)运行包括：确定、计算以及设定发动机参数至某些值，以能够实现这种操作。改装发动机指的是，利用本发明的装置的各种部件将自然吸气式发动机、涡轮增压式发动机或者增压式发动机改型和/或调整成根据本发明的方法操作。
[0019] 本发明包括：空气泵，该空气泵能够联接于发动机；用于第二燃料的燃料引入系统或组件，该系统或组件能够安装到发动机上或者安装在发动机内；以及处理器，该处理器对燃料引入和空气泵进行控制，以使用第二燃料选择性地操作发动机。燃料引入组件可以包括用于第一燃料和第二燃料的燃料输送系统(例如，用于第一燃料和第二燃料的燃料喷射器)。能够使用同一处理器来操作使用第一燃料的发动机。当使用第二燃料时，本发明的处理器对空气泵进行控制，以致于以增压模式来操作发动机，以增加发动机输出动力，并且处理器优选地以稀薄模式同时使用质量控制来操作发动机，以提高发动机的效率。结果，当利用第二燃料以非增压模式来操作自然吸气式发动机时，自然吸气式发动机将具有显著降低的输出动力损失，并且所述发动机将使用稀薄模式操作和质量控制更高效地操作。增压模式指的是利用空气泵操作发动机，该空气泵可以是通过发动机的废气来操作和/或由发动机的废气向空气泵提供动力的的涡轮增压器。泵也能够为由来自处理器的电控制信号或者电子控制信号操作的增压器(或者任何其他泵)。结果，当以增压模式操作时，发动机利用第二燃料能够产生与利用第一燃料相同的输出动力。
[0020] 在本发明的第一实施方式中，当第二燃料被使用时，本发明的装置、系统和方法对利用第一燃料操作(例如，汽油发动机)并且也利用涡轮增压器操作的自然吸气式发动机进行改装并校准。涡轮增压器被选择用于利用第二燃料进行适当的操作，以允许发动机使用诸如氢气或者其废气具有比第一燃料的废气的焓少的焓的任何其他燃料之类的第二燃料以增压模式(涡轮增压器被致动)以及优选地以稀薄模式操作。在自然吸气式操作中利用第二燃料来操作发动机导致发动机的输出动力损失。然而，利用第二燃料(例如，气态燃料)以增压模式来操作发动机，从而由第二燃料的燃烧产生的废气用于驱动涡轮增压器，显著降低了发动机的输出动力的损失。因而当使用质量控制以增压模式进行操作时，发动机的输出动力由喷射到发动机内的第二燃料的量控制。质量控制为这样的技术：即，借助于该技术，发动机的节流阀被维持在充分打开的位置，即，借助于该位置，被泵送到发动机内的空气的流不受节流阀位置的限制。对于不同类型的发动机，充分打开位置将根据节流阀设计和发动机转速而变化。因而，“充分打开”指的是节流阀打开到一定位置，以致不限制进入到发动机内的空气流(空气通过涡轮增压器或增压器或空气泵而被泵送到发动机内)。因而，显著降低了使用第二燃料的发动机的输出动力的损失，并且发动机更高效地运行。对于该实施方式，涡轮增压器能够为可变涡轮几何形状(VTG)涡轮增压器。
[0021] 在本发明的第二实施方式中，本发明的装置、系统和方法对涡轮增压式发动机或者增压式发动机(即，最初设计带有涡轮增压器或者增压器的发动机)进行改装且校准，以允许发动机利用第二燃料优选地以稀薄模式运行。
[0022] 对于第二实施方式，在涡轮增压式发动机的情形中，增加了第二涡轮增压器，第二涡轮增压器被选择用于利用第二燃料进行适当的操作。在利用第二燃料(例如，氢)进行操作期间，这种涡轮增压器被致动，而同时最初设计的涡轮增压器在这种操作期间失效或者被绕过。而且，当使用第二燃料时，受处理器控制的增压器可以用于以增压模式来操作发动机。
[0023] 对于第二实施方式，在增压式发动机的情形中，当发动机使用第二燃料(例如，氢)时，能够在适当的动力能量下操作增压器操作(即，电控或者电子控制)以将适量的空气泵送到发动机内。而且，能够将涡轮增压器增加到发动机，以使用由第二燃料的燃烧产生的废气以增压模式来操作发动机。结果，对于增加第二涡轮增压器或者使用增压器的情形，由于第二燃料的使用而引起的动力的损失显著降低。与第一实施方式相同，当第二燃料被使用时，在稀薄模式操作期间使用质量控制。即，当使用第二燃料以稀薄模式以提高发动机效率时，发动机的节流阀维持在充分打开的位置(即，不限制进入到节流阀内的空气流)。发动机的输出动力则由被喷射到发动机内的第二燃料的量控制。
[0024] 在本发明的第三实施方式中，装置、系统和方法对涡轮增压式发动机进行改装且校准，其中，最初设计的涡轮增压器被移除，并且用设计成利用第一燃料或第二燃料的废气来操作的新的涡轮增压器来替代最初设计的涡轮增压器。由第一燃料的燃烧产生的废气具有一定的第一焓或者焓范围。由第二燃料的燃烧产生的废气具有一定的第二焓或者焓范围。对于该实施方式和其他实施方式，应当理解，燃料的燃烧的意思是燃料与适量的空气的燃烧。该新的涡轮增压器被设计成使得其能够利用由第一燃料的燃烧或第二燃料的燃烧产生的废气操作(即，被适当地驱动)。这种涡轮增压器的一个具体示例是被设计成用于相对宽的温度范围的废气操作的VTG涡轮增压器，这种类型的VTG涡轮增压器在下文中将被称为超VTG涡轮增压器。例如能够利用由汽油的燃烧或者氢的燃烧产生的废气来操作这种超VTG涡轮增压器。这种超VTG涡轮增压器在许多情形中能够用于利用第一燃料或第二燃料运行。与其他实施方式相同，当利用第二燃料优选地以稀薄模式并且使用质量控制来操作发动机时，这种超VTG涡轮增压器显著降低了输出发动机动力的损失。在该实施方式中，对于增压式发动机，能够使用类似的涡轮增压器，或者处理器能够对增压器进行控制，以操作不同类型的燃料的发动机。
[0025] 在第一燃料为汽油且第二燃料为氢的情形中，发动机能够由用户选择性地操作为汽油发动机或者氢气发动机。术语氢和氢气在下文中交替使用，以表示能够在该要求保护的本发明中使用的各种状态的氢。在该情况下，本发明的装置、系统和方法包括：处理器；空气泵，该空气泵联接于发动机并且被实施为涡轮增压器(或增压器)，涡轮增压器(或者增压器)被选择用于利用第二燃料进行适当操作；以及燃料引入组件，该燃料引入组件被实施有安装到发动机上的氢燃料喷射器和汽油燃料喷射器，其中，处理器对氢燃料喷射器和涡轮增压器(增压器)进行控制，以使用氢气来操作发动机，当使用氢气(其产生比汽油较少的动力)时，使用质量控制优选地以增压模式(涡轮增压或者增压)及以稀薄模式来操作发动机。因此，通过使用本发明的方法、装置和系统，由利用诸如氢之类的燃料或者其他气态燃料进行的操作所产生的发动机输出动力的损失相比于诸如汽油之类的液态燃料能够显著降低。
[0026] 应当指出的是，在空气和第二燃料的混合物具有比空气和第一燃料的混合物小的混合物热值(即，少的能量含量)的情况下，第二燃料的废气的焓比第一燃料的废气的焓少。来自第一燃料的废气由所述第一燃料在发动机内的燃烧产生。类似地，来自第二燃料的废气是第二燃料在发动机内燃烧的结果。
[0027] 还应当指出的是，本发明的装置、系统和方法适用于被称为奥托循环发动机(Otto cycle engines)的发动机，奥托循环发动机包括汽油内燃发动机以及被转换成利用汽油或者压缩的
天然气(CNG)操作的柴油内燃发动机。众所周知的是，
柴油发动机能够被转换成奥托循环发动机，比如(1)基于CNG运行的内燃发动机或者(2)基于汽油运行的内燃发动机。
[0028] 还应当指出，对于增压发动机的情形的第二实施方式，以及对于第三实施方式，本发明的装置、系统和方法能够利用混合燃料操作。混合燃料操作指的是，将第一燃料和第二燃料喷射到发动机的腔室内，从而由于点燃发动机腔室中的第一燃料、第二燃料和空气的混合物而发生燃烧。即，用于操作这些实施方式的燃料包含第一燃料和第二燃料，即，混合燃料。混合燃料包括一部分第一燃料和一部分第二燃料。第一燃料和第二燃料的相对部分将确定由混合燃料的燃烧产生的废气的焓。
[0029] 已经在基于第一燃料(例如，汽油)或第二燃料的双燃料发动机的背景下描述了本发明。常规的自然吸气式车辆汽油发动机能够被改装且校准成使用涡轮增压器或增压器或者一些已知类型的空气泵来燃烧氢气。对发动机进行校准以基于氢(或任何其他类型的第二燃料)运行包括：确定发动机参数，计算发动机参数以及将发动机参数设定到一定值，以能够实现这种操作。改装发动机指的是，利用本发明的装置的各种部件将自然吸气式发动机、涡轮增压式发动机或增压式发动机改型和/或调整为根据本发明的方法运行。
[0030] 能够改装发动机的一种方式为使用来自跨平台套件的部件，该跨平台套件包括各种部分，诸如
外壳、容纳在外壳中的处理器、受处理器控制的空气泵(例如，涡轮增压器、增压器)、受处理器控制的节流阀、电
加速器
踏板和受处理器控制的燃料引入组件(例如，用于第一燃料和第二燃料的燃料喷射器和预先钻有孔的引入
歧管)。即，本发明的装置被配备或集装为跨平台套件。引入歧管的预先钻出的孔具有适当的直径，以便安装同样为套件的部分的第一燃料喷射器和第二燃料喷射器。例如，被改装变成为利用作为第一燃料的汽油和作为第二燃料的氢操作的双燃料发动机的发动机可以装配有预先钻有孔的引入歧管，其中，引入歧管的预先钻出的孔为燃料喷射器能够穿过其安装的开口。而且，第一和/或第二燃料喷射器可以安装或定位在发动机上或者靠近发动机安装或定位，使得它们将其各自的燃料直接喷射到发动机缸或腔室内，这种技术称做直接喷射。套件还可以包括电加速器踏板，该电加速器踏板能够经由到处理器102的控制线和输入线联接至处理器102，以使处理器能够及时确定在特定时刻的踏板位置。术语“跨平台”指的是使用相同或类似的套件改装不同类型的内燃发动机的能力。由于发动机尺寸和设计变化，所以可以改型套件的某些部件，但跨平台套件的基本组的部件在每个发动机中几乎保持相同。例如，对于不同的发动机，引入歧管可以较小或较大或者呈不同形状，但引入歧管的基本部件对于所有套件而言是恒定不变的。跨平台套件的替代型式可以不具有处理器，而是能够将具有根据本发明的方法对发动机进行操作的指令的
软件下载到被改装的发动机的ECU上。所下载的软件能够补充ECU中的现有软件以正确地操作发动机。跨平台套件因而为在被正确地安装在常规(自然吸气式、涡轮增压式或增压式)发动机上以改装发动机时使发动机能够像双燃料发动机那样操作的一组部件，其中，在双燃料发动机中，燃料中的至少一种能够为非碳基燃料(例如，氢)。
[0031] 然而，将容易理解，也能够使用最初特别设计成根据本发明的方法、装置和系统运行的发动机，因而，本发明不限于被改装的发动机。即，能够利用最初设计且被制造成根据本发明的方法、装置和系统运行的发动机来实施本发明。还将容易理解，本发明的方法、装置和系统不限于图2中示出的具体被改装的常规汽油发动机，使用图2中的具体发动机是为了便于说明。当利用氢(即，氢气，H2)来操作内燃发动机时，本发明的装置、方法和系统允许在较低的发动机转速时输出更多的动力(即，更多的低端
扭矩)以及在较低的发动机转速时减少的氮氧化物排放物。术语氢和氢气在本文中交替使用，以表示能够在该要求保护的本发明中使用的各种状态的氢。
[0032] 已经根据如本文中描述的各种实施方式描述了本发明的装置、系统和方法。将容易理解，本文中公开的实施方式根本不能限定本发明的范围。本发明所属领域的普通技术人员在已经阅读本公开后可以使用与本文中公开的实施方案不同但在所要求保护的本发明的范围内的其他实施方案来实施本发明的装置、系统和方法。
附图说明
[0033] 下文中，将根据附图描述本发明的方面和实施方式，其中：
[0034] 图1示出了本发明的装置和系统的一个实施方式；
具体实施方式
[0036] 图1示出了本发明的装置和系统的实施方式。处理器102具有多条控制线104、180、106、108、110、112、114和116，用于分别
控制阀140；废气
门178；阀136、150、152；节流阀130；汽油燃料喷射器126和氢燃料喷射器128。处理器具有I1，I2...IN输入，其中，N为等于1或者更大的整数。处理器102能够是
微处理器、微
控制器或者计算机，微处理器、
微控制器和计算机中的任何一个能够被编程以如本文中描述的那样对发动机进行操作。替代性地，车辆发动机
电子控制单元(ECU)能够被编程以执行处理器102的任务，因而避免使用单独的处理器102。输入是来自于各种发动机
传感器、监测器和状态指示器的信号。例如，输入能够包括各种发动机参数，比如发动机压力、发动机转速、发动机温度、
增压压力、
真空泵操作、加速器踏板位置、节流阀位置、H2传感器输出、λ传感器输出和空气流量传感器输出。发动机参数是变量，当被分析时它们反映发动机的状况及其操作。能够对一个或更多个发动机参数的值进行处理、控制和/或
修改以控制发动机的操作。将发动机校准到使用氢气(或任何其他燃料)的运行包括判定、计算和设定各种发动机参数以允许这种操作。
输入信号经由用于将
信号传输至处理器的任何公知的方式到达处理器102。例如，信号可以是无线通信系统的部分、
光信号、
电信号和/或电子信号。处理器102通过对废气门178和阀
150和152进行控制间接地控制涡轮增压器的操作。涡轮增压器包括涡轮148，涡轮148联接于轴146，轴146对
压缩机144进行驱动。阀136和140分别定位在空气引入
导管170和
160内或者分别沿着空气引入导管170和160定位，以控制这种空气引入导管内的空气流，这两个空气引入导管都联接至节流阀130。阀150和152分别定位在排气管162和158内或者分别沿着排气管162和158定位，以控制这种排气管内的废气流，这两个排气管都经由排气管154联接至催化转化器156。阀150和152用于将废气引导通过排气管158以绕过废气门178和涡轮增压器144、146、148。废气门178沿着排气管163定位或者定位在排气管163内，以控制流动通过该排气管的废气，排气管163用作涡轮增压器旁通通路，用于被引导以使涡轮增压器接合的废气的至少一部分。
[0037] 发动机134具有引入歧管132，引入歧管132上安装有受处理器控制的汽油燃料喷射器126和受处理器控制的氢气燃料喷射器128。对于通常被称为直接喷射的布置，用于第二燃料和/或第一燃料的燃料喷射器也可以定位在发动机的腔室内。汽油燃料从
燃料箱118经由燃料管线122被馈送至汽油燃料喷射器126。氢气燃料从燃料箱120经由燃料管线124被馈送至氢气燃料喷射器128。发动机134还具有
排气歧管138，排气管162从排气歧管138延伸出。在发动机134的操作期间，废气通过排气管162选出并且或被引导以使涡轮增压器的涡轮148接合，或通过将废气引导通过排气管158到催化转化器156并被排放到外部环境来绕过涡轮增压器。现在讨论利用作为第一燃料的汽油导致比氢更高的输出动力的操作。
[0038] 当使用汽油作为第一燃料时，本发明的装置和系统对各种阀进行控制，以便避免操作涡轮增压器。由此发动机以非增压模式来操作。特别地，在发动机134的引入侧，处理器102基于发动机参数以公知方式控制节流阀130和汽油燃料喷射器126，以喷射适量的汽油并且将适量的空气抽吸到引入歧管132内。由于发动机134为自然吸气式的，所以处理器102使阀140打开，从而允许新鲜空气通过空气引入导管160利用如示出的路径168和182被抽吸到节流阀130内。处理器102控制节流阀130的位置以提供用于与发动机134的腔室内的已被喷射的汽油混合的适当比例的空气。在发动机134的排气侧，从排气歧管
138的管162流出的废气被引导通过如示出那样采用路径166的排气管158。由废气占用路径是处理器102使阀152打开并且使阀150关闭的结果，从而防止废气使涡轮148接合。
废气通过流动穿过排气管158而绕过涡轮增压器到排气管154上至催化转化器156，在此之后，废气被排放到环境中。可以由希望将操作转换到第二燃料，比如氢的操作人员通过使用燃料选择器
开关(未示出)来选择使用汽油的发动机的操作。对于处于非增压模式的自然吸气式发动机，空气被抽吸到发动机内并且不使用涡轮增压器或者空气泵。在增压模式中，使用第二燃料的废气来致动涡轮增压器。现在描述用于各种实施方式的增压模式操作。
[0039] 仍参照图1，对于第一实施方式，其中，发动机为自然吸气式，涡轮148、轴146和压缩机144构成涡轮增压器。在增压模式中，通过被引导以使涡轮增压器的涡轮148接合以及经由路径172继续到催化转化器156的废气来致动涡轮增压器。通过处理器使阀152关闭并且使阀150打开来完成引导，从而允许废气使涡轮增压器的涡轮148接合。涡轮148然后使对压缩机144进行操作的轴146转动，从而使所述压缩机经由路径174和176将新鲜空气泵送到节流阀130内。阀140也通过处理器102关闭。空气在其通向节流阀130的途中被
中间冷却器142冷却。通过处理器打开或关闭废气门178，以对发动机的增压压力进行控制。也就是，使废气的一部分经由如通过路径164示出的排气管163绕过涡轮。
[0040] 对于第二实施方式，涡轮148、轴146和压缩机144构成第二涡轮增压器。在使用增压器的情形中，图1中示出的第二涡轮增压器被增压器(未示出)，即，电子控制的空气泵替代。为了便于示意，未示出最初设计的涡轮增压器，但应当理解为以与图1中示出的增加的第二涡轮增压器相同的方式来布置最初设计的涡轮增压器。以与第一增压模式操作中描述的相似的方式来致动第二涡轮增压器。也就是，以与第一实施方式中相似的方式使用第二燃料的废气来致动第二涡轮增压器。在增压发动机的情形中，通过来自处理器102的控制信号来致动最初设计的增压器。替代性地，对于增压发动机，能够使用第二涡轮增压器而不是使用最初的增压器来操作使用第二燃料的发动机。当使用第二燃料时，使用质量控制优选地以稀薄模式来操作发动机。
[0041] 对于第三实施方式，示出的涡轮增压器可以是被设计用于在限定的废气温度范围和/或焓范围下操作并因而能够利用第一燃料或利用第二燃料在操作期间致动的涡轮增压器(例如，超VTG涡轮增压器)。该涡轮增压器使用第二燃料的废气以与图1中描述和示出的相似的方式被致动。当使用第二燃料时，使用质量控制优选地以稀薄模式来操作发动机。
[0042] 应当指出的是，利用用于所谓的“稀薄”操作的氢和空气的适当混合，氢能够由内燃发动机用作燃料。根据具体的发动机，利用氢在各种范围的λ值下的稀薄模式操作产生很少或者不产生有害废气排放物。本发明不限于氢作为第二燃料，可以使用其他非碳基燃料来替代氢。非碳基燃料为能够在内燃发动机中燃烧的物质，在该物质中，该物质的
原子或分子组分都不是碳。
[0043] 发动机的操作人员能够操作燃料选择器开关(未示出)以确定在哪种燃料下来操作发动机。燃料选择器开关(未示出)可以联接或连接至处理器102作为处理器102的输入I1，I2...IN中的一个。燃料选择器开关向处理器指示将在哪种燃料下来操作发动机。
[0044] 当燃料选择器开关被设定成第二燃料(例如，氢操作)时，本发明的方法、系统和装置利用处理器102来操作发动机，使用质量控制来控制发动机的引入(即，空气引入和燃料引入)侧和排气侧。第二燃料与空气混合，以致优选地以稀薄模式来操作发动机。处理器102经由控制线116控制氢气燃料喷射器128以将氢气喷射到发动机内，从而对发动机的燃料引入进行控制。处理器102使节流阀130打开并且使节流阀130保持在充分打开的位置(节流阀130打开以不限制空气流动)，其被称为质量控制。当需要增加发动机输出动力时，被喷射的燃料的量增加。此外，处理器102通过使阀152关闭并且使阀150打开来使涡轮增压器148、146、144致动，允许废气使涡轮148接合，导致轴146可旋转地接合或驱动压缩机144，导致新鲜空气被泵送到空气引入导管170内。在发动机的引入侧，处理器102使阀136打开并且使阀140关闭以将被泵送的新鲜空气引导至路径176到节流阀130，从而对发动机的空气引入进行控制。当新鲜空气流动至节流阀130(保持在充分打开的位置)时，新鲜空气被沿着空气引入导管170定位的任何公知的冷却装置142冷却。此外，处理器120经由控制线180控制废气门178以允许一些废气流动，以通过排气管163经由路径164和172绕过涡轮增压器，以控制使涡轮增压器接合的废气的量，以改变(即，增大或减小)发动机的增压压力以及由此的发动机的输出动力。
[0045] 已经根据被改装且校准以如使用氢气为第二燃料的双燃料发动机那样操作的汽油发动
机车辆描述了本发明的装置。其他燃料，例如压缩的天然气(CNG)也能够在本发明的装置的情形中用作第二燃料，并且
乙醇也能够用作本发明的装置的第一燃料。构造成使用汽油的第一燃料(或者其他液态燃料，例如乙醇)和诸如氢或者其他气态燃料的第二燃料操作的最初设计的发动机(不需要改装)也能够用作本发明的装置的一部分。此外，无论是被改装还是最初被设计成利用要求保护的本发明操作的发动机能够为自然吸气式发动机、涡轮增压式发动机或者增压式发动机。
[0046] 将容易理解，图1也可以表示一种系统，在该系统中，内燃发动机被校准且被改装，以如本发明所属领域的技术人员可以设想的各种改型描述的那样操作。例如，本发明的系统可以用于发电，其中，该系统的各种部件不位于相同的位置，而是位于彼此相对大的距离处。例如，处理器可以离开发动机和燃料输送系统数英里并且经由通信系统来控制这些部件。通常，当系统的各部件被说成是不位于相同的位置时，其指的是这些部件的布置以致这些部件不能够结合到便携式装置内或者为诸如车辆之类的便携式系统的一部分的装置内。各种排气管(例如，158、162和163)和空气引入导管(例如，160、170)可以具有相对较长的长度并因而可能需要另外的泵，以使空气能够流动。此外，处理器102的控制线和输入线可以是总通信系统的部分，该总通信系统可以被实施为光学系统、双绞线电气系统或者无线通信系统。
[0047] 图2中示出了本发明的方法，其中，发动机134基于具有一定动力输出的第一燃料或者基于第二燃料操作，其中，所述第二燃料产生比第一燃料少的动力输出。发动机134能够是被改装且被校准的自然吸气式发动机，或者发动机134能够是最初设计的涡轮增压式发动机或增压式发动机。在步骤202中，打开电源。处理器102和相关联的
致动器(未示出)被致动，相关联的致动器可以是或者可以不是阀、节流阀、废气门和涡轮增压器的部分。处理器102读取燃料选择器开关(图1中未示出)的状态，操作人员可以在起动发动机之前操作燃料选择器开关。
[0048] 在步骤204中，本发明的方法确定已经由发动机的操作人员选择了哪种燃料。特别是，处理器102读取燃料选择器开关的状态。在步骤204中，如果处理器已经确定第二燃料已被选择，则本发明的方法进行到步骤210。因为第二燃料产生较少的发动机输出动力，所以本发明的方法将利用质量控制来以增压模式操作发动机，增压模式意味着空气泵(例如，涡轮增压器或者增压器)用于在比大气压力高的压力下将空气泵送到发动机内。对于带有涡轮增压器或者增压器的改装的自然吸气式发动机，处理器102被编程以在第二燃料被选择时以增压模式(即，对涡轮增压器或者增压器进行致动)来操作发动机。
[0049] 在步骤210中，对于第一实施方式，处理器102将阀设定成以如上面已经描述的增压模式并且利用质量控制优选地以稀薄模式来操作发动机。特别地，在步骤212中，处理器102将废气重新引导以对涡轮增压器(148、146、144)、废气门178和节流阀130进行操作，以如上面已经描述的控制被泵送到发动机134内的空气的量。在增压模式中，节流阀130能够被维持在充分打开的位置(即，使用质量控制)。对于改装带有增压器的自然吸气式发动机，处理器102控制和操作增压器，以将适量的空气泵送到发动机内。对于第二实施方式，如上面已经描述的那样使用第二燃料的废气来致动和驱动或操作第二涡轮增压器。最初设计的涡轮增压器无效。而且，当使用第二燃料操作时，能够增加被处理器控制的增压器而不是增加第二涡轮增压器，以在使用质量控制的稀薄操作的情况下以增压模式来操作发动机。在增压发动机的情形中，增压器被致动，并且来自处理器102的控制信号适当地操作以便使用用于第二燃料的质量控制来进行增压操作。替代性地，对于增压式发动机，能够增加涡轮增压器以致以增压模式、以如上面已经描述的那样使用质量控制的稀薄操作来操作发动机。对于第三实施方式，如关于图1描述的使用第二燃料的废气来致动具有限定的温度范围的涡轮增压器(例如，带有相对宽的温度范围的VTG涡轮增压器，即，Super VTG(超VTG))。具有限定的操作温度范围的这种涡轮增压器能够被设计成利用第一燃料或第二燃料的废气操作。当第二燃料被选择时，对于所有三个实施方式，使用质量控制对发动机进行操作。另外，对于所有三个实施方式，当第二燃料被选择时，优选地以稀薄模式来操作发动机。
[0050] 返回到步骤204，如果燃料选择器开关向处理器指示第一燃料已经被选择，则本发明的方法进行到步骤206。在步骤206中，对于第一实施方式(即，自然吸气式发动机)，本发明的方法如上面已经描述的那样以非增压模式来操作发动机134。对于第一实施方式，处理器102被编程为在第一燃料被选择时以非增压模式来操作发动机。特别地，处理器102对阀进行设定并且控制燃料喷射器，以绕过涡轮增压器的使用。
[0051] 在第一实施方式中，对于使用第一燃料的自然吸气式发动机，可以根据需要(节流阀的可变开口)控制节流阀130以控制发动机134的操作并且节流阀130不是必须保持在固定的打开位置。对于第二实施方式和第三实施方式(涡轮增压式发动机或者增压式发动机)，处理器102对所设计的发动机进行操作。
[0052] 在步骤208中，对于第一实施方式，处理器102对节流阀和燃料喷射器进行控制，以借助于节流阀130的适当控制和用于第一燃料的汽油燃料喷射器126来操作作为自然吸气式汽油发动机的发动机。在第二实施方式中，处理器102对节流阀和燃料喷射器进行控制以借助于所设计的最初的涡轮增压器或者增压器来操作发动机。类似地，在第三实施方式中，处理器对节流阀和燃料喷射器以及所设计的具有限定的操作温度范围的涡轮增压器进行控制。这种涡轮增压器能够被设计成利用第一燃料或第二燃料的废气操作。
[0053] 本发明的方法使用第一燃料或第二燃料操作发动机。这样，本发明的方法能够在操作模式之间交替变化，比如使用第二燃料优选地以稀薄模式以及使用质量控制来操作发动机或者使用第一燃料来操作所设计的发动机。根据发动机的操作人员的需要，本发明的方法能够在操作模式之间交替变化。
