[发明专利]以富燃低温燃烧模式作为固体氧化物燃料电池动力车辆的车载重整器来操作内燃机的系统和方法

说明书

优先权

本发明是2008年6月30日提交的美国临时申请号US61/133555的延续部分。

技术领域

本发明涉及柴油发动机的操作系统和方法，尤其涉及将该系统和方法应用到固体氧化物燃料电池动力车辆。

背景技术

现代的柴油内燃机以燃油(燃料)直喷压燃方式工作。这些发动机通常具有非常低的未燃碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)排放。另一方面，氮氧化物(NO_x)和颗粒物(PM)排放对柴油发动机燃烧和控制工程师来说仍然是一项挑战。应对NO_x和PM排放的难题在于减少NO_x的努力通常会增加PM排放，反之亦然。这两种尾气成分之间的关系已经被广泛研究并且在柴油发动机设计制造业中被称为NO_x/PM权衡。

尽管NO_x和PM排放之间的权衡已被广泛承认，但至少从二十世纪九十年代起已知道有一种被称为低温燃烧模式的发动机运转外来模式，柴油发动机能通过该模式在产生很少或产生感觉不到的NO_x或颗粒物的排放下运转。

低温燃烧模式超出烟气极限。从传统运转模式起，提高尾气再循环率(EGR)根据平常的关系造成NO_x排放的减少和颗粒物排放的增加。随着EGR率被进一步提高，达到了这样一个点，在该点，发动机排放过量的烟气。烟气极限在很长时间内都被认为是对柴油发动机的工作范围的实际限制。但是，如授予Sasaki等人的美国专利US5890360所述，已经表明了如果尾气再循环率仍被进一步提高，则不再产生烟气。到达了这样一个点，在该点，发动机不排放烟气并且NO_x和PM排放很低。在超过烟气极限的状况中运转就是低温燃烧(LTC)模式运转的意思。

术语“低温燃烧模式”反映了认识到低NO_x和PM排放是发生燃烧时的低温的结果。高尾气再循环率提供在燃烧室内的高比例的不活泼气体(相对于可燃气体)例如N₂、CO₂和H₂O。高比例的不活泼气体限制了在整个燃烧过程中出现的峰值气体温度。低温燃烧模式将峰值温度限制到大约1800K或更低，而在传统的柴油发动机中，燃烧峰值温度一般要高几百度。

众所周知的是，较低的燃烧温度减少NO_x的产生，但是，由低温燃烧模式实现的炭烟形成的减少是较难以理解的。炭烟形成是一个牵涉到许多步骤和大量化学反应的复杂的化学过程。初期的反应牵涉到柴油分裂成许多较小的分子。在后续的反应中，这些较小的分子再结合，最终形成很大的炭烟构成分子。对在低温燃烧模式中产生低炭烟的解释是该炭烟形成过程没有从较小分子的形成再进一步地进行，该较小分子的形成被认为是炭烟前兆。

虽然低温燃烧模式在同时提供NO_x和PM低排放方面值得赞扬，但LTC受到一些限制，包括发动机低效率和未燃碳氢化合物(HC)和CO的高排放。参见SAE 2001-01-0655中的图4(示出了刹车专用油耗和HC和CO排放随着发动机运转进入“无烟”富燃状态而快速增加)和第3页的最后三句(说明刹车专用油耗(BSFC)随着发动机进入富燃状态而增加至“严重”的程度)；US5890360中的图2(示出了扭矩随着EGR率增大而降低)，图10(示出了对于给定燃料量，扭矩步进随着发动机从LTC模式(区域I)过渡至传统模式(区域II)而增大)和第11栏的第64行至第12栏的第4行(说明传统模式比LTC模式更高效并且需要更少燃油)。

当过渡至LTC模式时，由尾气中的未燃的碳氢化合物和CO(未用燃油)和升高的尾气温度(表明燃油已经被用于产生热能，而不是机械能)反映出低燃油效率。参见SAE 2001-01-0655中的第4页第1栏和附录A第4页(LTC将尾气温度升高到200℃-250范围)；授予Ohki等人的美国专利US7246485中的第8栏(切换至贫燃LTC模式产生了在尾气后处理装置中燃烧的碳氢化合物，加热了那些装置)。