專利名稱：運(yùn)行內(nèi)燃機(jī)排氣系統(tǒng)中的燃料電池的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)涉及一種運(yùn)行內(nèi)燃機(jī)排氣系統(tǒng)中燃料電池的系統(tǒng)和方法，其中，可根據(jù)燃料電池的工作條件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行調(diào)整。
背景技術(shù)：
由于熱損耗、摩擦、不完全燃燒以及其它因素，內(nèi)燃機(jī)利用的燃料能量?jī)H僅是所供燃料能量的一部分(例如，有些情況下大約31％到38％)。另外，所供燃料能量大約3-17％被用于維持待機(jī)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行，并且，另有1-2％用于運(yùn)轉(zhuǎn)附件。因此，利用這些損耗的能量，尤其是熱能和化學(xué)能形式的能量有利于提高總體車輛系統(tǒng)燃效。
例如美國(guó)專利申請(qǐng)2004/0177607(以下簡(jiǎn)稱為‘607)所述的一種使用安裝在內(nèi)燃機(jī)排氣系統(tǒng)內(nèi)的燃料電池的方法。該系統(tǒng)使用發(fā)動(dòng)機(jī)未燃燃料將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為可為車輛使用的電能。該系統(tǒng)包括多種與燃料電池分離的排氣傳感器，例如控制運(yùn)行的空燃比傳感器。此外，‘607描述了不依靠燃料電池的條件來(lái)運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)。
發(fā)明人于此認(rèn)識(shí)到，當(dāng)使用分離的空燃比傳感器時(shí)，至少在一些情況下也有可能使用燃料電池來(lái)提供用于控制或調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的信息。例如，燃料電池的條件可用于確定、估計(jì)或提供排氣系統(tǒng)中關(guān)于空燃比或相對(duì)氧氣量的信息。因此，有可能使用燃料電池的電流、電壓和/或阻抗來(lái)提供排氣空燃比或排氣系統(tǒng)其它條件的指示。

發(fā)明內(nèi)容
因此，根據(jù)一個(gè)方面，提供一種用于車輛的系統(tǒng)，所述車輛具有帶排氣系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，所述系統(tǒng)包含連接到發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)內(nèi)的燃料電池，其中，燃料電池具有輸出電路；與所述燃料電池連接的電池；和控制器，該控制器接收指示燃料電池輸出電路電氣輸出的信號(hào)，并響應(yīng)所述信號(hào)調(diào)整供給發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料量或空氣量從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的空燃比。
這樣，燃料電池的電氣輸出可用作排氣信息的指示，例如排氣空燃比，用于調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，燃料電池可作為能斯脫電池工作。
因此，在一個(gè)實(shí)施例中，可減少多個(gè)排氣空燃比傳感器，從而減小系統(tǒng)成本。在另一個(gè)實(shí)施例中，燃料電池可用作附加的空燃比傳感器以補(bǔ)充其它的空燃比傳感器信息。進(jìn)一步的，在一些實(shí)例中，燃料電池輸出可用于確定燃料電池和/或其它排氣空燃比傳感器的降級(jí)。因此，燃料電池可用作多個(gè)功能，例如發(fā)電、傳感和/或診斷。
根據(jù)另一個(gè)方面，一種運(yùn)行車輛內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，所述發(fā)動(dòng)機(jī)也包括位于發(fā)動(dòng)機(jī)下游并連接到發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)內(nèi)的燃料電池，以及與燃料電池連接的電池。該方法包括調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)以響應(yīng)接入發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)內(nèi)的燃料電池的電氣輸出。
這樣，有可能利用燃料電池位置和工作條件來(lái)提供關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的信息，例如，可用于調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的信息。
根據(jù)再一個(gè)方面，一種運(yùn)行車輛內(nèi)燃機(jī)的方法，所述發(fā)動(dòng)機(jī)也具有位于發(fā)動(dòng)機(jī)下游的燃料電池以及與燃料電池連接的電池。該方法包含通過(guò)控制電池供給燃料電池的電流來(lái)產(chǎn)生燃料電池的電氣輸出；以及調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)以響應(yīng)所述燃料電池的電氣輸出。
這樣的系統(tǒng)具有多種優(yōu)勢(shì)。例如，電流在燃料電池上的運(yùn)用允許產(chǎn)生電氣輸出，該電氣輸出可提供關(guān)于排氣的信息，例如空燃比。例如在一實(shí)施例中，通過(guò)確定電流的變化，使用結(jié)合組成特性的能斯脫方程式，有可能推斷出排氣空燃比。進(jìn)一步的，應(yīng)用電流使產(chǎn)生將NOx還原為N2和02的電氣化學(xué)反應(yīng)。這樣的方法可使燃料電池用作多個(gè)功能，例如發(fā)電、傳感和/或減少排放。


圖1是示例的混合動(dòng)力系統(tǒng)中發(fā)動(dòng)機(jī)的示意圖。
圖2是內(nèi)燃機(jī)一實(shí)施例的示意圖。
圖3是示范系統(tǒng)的一實(shí)施例的示意圖，其中，燃料電池位于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)內(nèi)。
圖4是運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)向燃料電池供給空氣和燃料的方法的一實(shí)施例的流程圖。
圖5是為提高進(jìn)入燃料電池的排氣的溫度的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行方法的一實(shí)施例的流程圖。
圖6是具有燃料電池和催化劑的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的一實(shí)施例的示意圖。
圖7是具有燃料電池和催化劑的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的另一實(shí)施例的示意圖。
圖8是包含燃料電池部分和催化轉(zhuǎn)化部分的催化裝置的示范實(shí)施例的示意圖。
圖9是包含燃料電池部分和催化轉(zhuǎn)化部分的催化裝置的示范實(shí)施例的示意視圖，說(shuō)明了第一示范氧化劑入口。
圖10是包含燃料電池部分和催化轉(zhuǎn)化部分的催化裝置的示范實(shí)施例的示意視圖，說(shuō)明了第二示范氧化劑入口。
圖11是通過(guò)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制排放的方法的一實(shí)施例的流程圖。
圖12是使用燃料電池作為空燃比傳感器的方法的一實(shí)施例的流程圖。
圖13是診斷燃料電池及空燃比傳感器機(jī)能的方法的一實(shí)施例的流程圖。
圖14是確定排氣組成特性的示范性系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的示意圖。
具體實(shí)施例方式
本申請(qǐng)的系統(tǒng)和方法可用于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(HEV)。圖1只是說(shuō)明一種可能的配置，具體地說(shuō)是并聯(lián)式/串連式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(混聯(lián)式)配置。然而，可以用其它混合配置，例如串行式、并行式、集成式起動(dòng)器-交流發(fā)電機(jī)，或其它。
在HEV中，發(fā)動(dòng)機(jī)24連接到行星齒輪組20的行星架22。單向離合器26允許發(fā)動(dòng)機(jī)和行星架正轉(zhuǎn)并阻止反轉(zhuǎn)。行星齒輪組20也將太陽(yáng)齒輪28機(jī)械地連接到發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)30和環(huán)形(輸出)齒輪32。發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)30也機(jī)械地連接到發(fā)電機(jī)制動(dòng)器34，并電氣連接到電池36。牽引電動(dòng)機(jī)38通過(guò)第二齒輪組40機(jī)械地連接到行星齒輪組20的環(huán)形齒輪32，并電氣連接到電池36。行星齒輪組20的環(huán)形齒輪32和牽引電動(dòng)機(jī)38通過(guò)輸出軸44機(jī)械地連接到驅(qū)動(dòng)輪42。
燃料電池25位于發(fā)動(dòng)機(jī)24的排氣系統(tǒng)內(nèi)。另外，燃料電池25電氣連接到電池36。
行星齒輪組20將發(fā)動(dòng)機(jī)24輸出能量分成從發(fā)動(dòng)機(jī)24到發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)30之間的一條串行路徑和從發(fā)動(dòng)機(jī)24到驅(qū)動(dòng)輪42之間的一條并行路徑。通過(guò)并行路徑保持機(jī)械連接同時(shí)，通過(guò)改變到串行通路的劃分可以控制發(fā)動(dòng)機(jī)24的轉(zhuǎn)速。通過(guò)第二齒輪組40，牽引電動(dòng)機(jī)38增大發(fā)動(dòng)機(jī)24供給并行路徑上的驅(qū)動(dòng)輪42的功率。牽引電動(dòng)機(jī)38也提供機(jī)會(huì)使用直接來(lái)自串行路徑的能量，基本上用盡發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)30產(chǎn)生的功率。這樣減小了將能量轉(zhuǎn)換成電池36內(nèi)的化學(xué)能量及反向轉(zhuǎn)換相關(guān)聯(lián)的損耗，并且允許發(fā)動(dòng)機(jī)24在去除轉(zhuǎn)換損耗后的全部能量到達(dá)驅(qū)動(dòng)輪42。
因此，圖1說(shuō)明，在這個(gè)實(shí)例中，發(fā)動(dòng)機(jī)24直接連接到行星架22，例如，沒(méi)有用能使它們彼此斷開的離合器。單向離合器26允許軸在正向方向自由轉(zhuǎn)動(dòng)，但是當(dāng)轉(zhuǎn)矩試圖反向轉(zhuǎn)動(dòng)軸時(shí)，其將軸置于動(dòng)力系的固定結(jié)構(gòu)中。制動(dòng)器34不中斷太陽(yáng)齒輪28和發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)30之間的連接，但是當(dāng)通電時(shí)，制動(dòng)器34將太陽(yáng)齒輪28和發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)30之間的軸置于動(dòng)力系的固定結(jié)構(gòu)中。
車輛系統(tǒng)控制器(VSC)46通過(guò)連接每個(gè)部件的控制器來(lái)控制HEV配置中的多個(gè)部件。發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元(ECU)48經(jīng)由硬件接口(更多細(xì)節(jié)見圖2)連接到發(fā)動(dòng)機(jī)24。在一實(shí)例中，ECU 48和VSC 46可設(shè)置在同一單元內(nèi)，但實(shí)際上是分離的控制器?？晒┻x擇的，ECU 48和VSC 46可以是相同的控制器，或設(shè)置在分離的單元內(nèi)。VSC 46通過(guò)例如控制局域網(wǎng)(CAN)33這樣的通信網(wǎng)絡(luò)，與ECU 48、電池控制單元(BCU)45及驅(qū)動(dòng)橋管理單元(TMU)49相通。BCU 45經(jīng)由硬件接口連接到電池36。TMU 49經(jīng)由硬件接口控制發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)30和牽引電動(dòng)機(jī)38。控制單元46、48、45、49以及控制局域網(wǎng)33可包括一個(gè)或多個(gè)微處理器、計(jì)算機(jī)或中央處理器；一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)裝置；一個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)管理單元；以及一個(gè)或多個(gè)與各種傳感器、傳動(dòng)器和控制電路通信的輸入/輸出裝置。
應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，本申請(qǐng)的系統(tǒng)和方法可用于任何其它HEV配置。下面更詳細(xì)地描述發(fā)動(dòng)機(jī)24和燃料電池25以及其它部件的另外的細(xì)節(jié)和實(shí)例，例如圖2-3所示。
圖2是內(nèi)燃機(jī)24的一實(shí)施例的示意圖。例如，發(fā)動(dòng)機(jī)24可以是汽油發(fā)動(dòng)機(jī)或柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。因此，圖2的實(shí)例顯示了帶火花塞的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，但是，發(fā)動(dòng)機(jī)24可以是不帶火花塞的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，或任何其它類型發(fā)動(dòng)機(jī)。內(nèi)燃機(jī)24包含數(shù)個(gè)汽缸，其中一個(gè)汽缸如圖2所示，內(nèi)燃機(jī)24受電子發(fā)動(dòng)機(jī)控制器48控制。發(fā)動(dòng)機(jī)24包括燃燒室29和汽缸壁31，汽缸壁31中具有與曲軸39連接的活塞35。燃燒室29分別通過(guò)進(jìn)氣門52和排氣門54與進(jìn)氣歧管43和排氣歧管47相通。盡管所示僅為一個(gè)進(jìn)氣門和一個(gè)排氣門，如果需要的話，可使用更多的進(jìn)氣門和排氣門。例如，可使用兩個(gè)進(jìn)氣門和單個(gè)排氣門，也可使用兩個(gè)進(jìn)氣門和兩個(gè)排氣門。
在本例中，可由可變凸輪正時(shí)提供可變氣門正時(shí)。盡管在本例中所示的是獨(dú)立的進(jìn)氣凸輪正時(shí)和排氣凸輪正時(shí)，可變的進(jìn)氣凸輪正時(shí)可與固定的排氣凸輪正時(shí)一起使用，反之亦然。而且，可使用各種類型的可變的氣門正時(shí)，例如液壓葉片式傳動(dòng)器53和55，從控制器48接收各自的凸輪正時(shí)控制信號(hào)VCTE和VCTI。通過(guò)比較曲軸信號(hào)PIP和分別來(lái)自凸輪傳感器50和51的信號(hào)，可提供凸輪正時(shí)(排氣和進(jìn)氣)的位置反饋。
在可選的實(shí)施例中，如果需要的話，凸輪傳動(dòng)排氣門可與電氣傳動(dòng)進(jìn)氣門一起使用。在這種情況下，控制器能夠確定是否停止發(fā)動(dòng)機(jī)，或?qū)l(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)置于使排氣門至少部分開放的狀態(tài)，如果這樣的話，至少在發(fā)動(dòng)機(jī)的部分停止時(shí)間內(nèi)保持進(jìn)氣門是關(guān)閉的，以減小進(jìn)氣歧管和排氣歧管之間的相通。
所示的進(jìn)氣歧管43也具有與其連接的燃料噴射器65，以使傳送的液體燃料與控制器48的信號(hào)FPW的脈寬成比例。燃料通過(guò)包括燃料箱、燃料泵及燃料分供管(圖中未示出)的燃料系統(tǒng)傳送到燃料噴射器65。另外，所示的進(jìn)氣歧管43與可選電子節(jié)氣門125相通。
無(wú)分電盤的點(diǎn)火系統(tǒng)88響應(yīng)控制器48，通過(guò)火花塞92向燃燒室29提供點(diǎn)火火花。
圖2所示的控制器48為常規(guī)的微計(jì)算機(jī)，包括微處理器單元102，輸入/輸出端口104，以及只讀存儲(chǔ)器106，隨機(jī)存取存儲(chǔ)器108，保活存儲(chǔ)器110及常規(guī)的數(shù)據(jù)總線。所示的控制器48除了接收前面討論所述的信號(hào)外，還接收與發(fā)動(dòng)機(jī)24連接的傳感器傳來(lái)的各種信號(hào)，包括與冷卻套筒114連接的溫度傳感器112傳來(lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑溫度(ECT)；與加速踏板連接的位置傳感器119；與進(jìn)氣歧管43連接的壓力傳感器122傳來(lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)歧管壓力(MAP)大??；溫度傳感器117傳來(lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度或歧管溫度的大小；以及來(lái)自霍爾效應(yīng)傳感器的發(fā)動(dòng)機(jī)位置傳感器118傳感的曲軸39位置。在本發(fā)明的一個(gè)方面，在曲軸每次旋轉(zhuǎn)周期中，發(fā)動(dòng)機(jī)位置傳感器118產(chǎn)生預(yù)定數(shù)量等距脈沖以確定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(RPM)。
在可選實(shí)施例中，可使用直噴型發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，噴射器65位于燃燒室29內(nèi)，其位置或者在類似于火花塞92的汽缸蓋上，或者在燃燒室側(cè)面。
圖3顯示了示例發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的一實(shí)施例，其中，燃料電池225位于發(fā)動(dòng)機(jī)224的排氣系統(tǒng)內(nèi)。發(fā)動(dòng)機(jī)224可以是圖2所述的發(fā)動(dòng)機(jī)和其它內(nèi)燃機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)224和燃料電池225可用于圖1所述的示例HEV或其它HEV實(shí)施例。
在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)224消耗燃料并產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩輸出，沒(méi)有用于轉(zhuǎn)矩輸出的燃料能量以未燃燃料、重整燃料例如氫和一氧化碳(CO)和熱的形式釋放。另外，依據(jù)空燃比，例如發(fā)動(dòng)機(jī)是否以稀燃或濃燃運(yùn)行，可在排氣系統(tǒng)中包含氧氣。在一些實(shí)例中，根據(jù)燃料電池的狀態(tài)例如溫度、功效等，可以調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比的濃度，從而可改變提供給燃料電池225的未燃及重整燃料的數(shù)量。進(jìn)一步的，在其它實(shí)施例中，例如通過(guò)使一些汽缸稀燃而其它汽缸濃燃，可以調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)向燃料電池供給燃料和氧氣。
如圖3所示，燃料電池225位于排氣系統(tǒng)內(nèi)和發(fā)動(dòng)機(jī)224的下游。燃料電池225可使用燃料、空氣以及發(fā)動(dòng)機(jī)224釋放的熱量來(lái)生成電力。燃料電池225可以是固態(tài)氧化物燃料電池(SOFC)、熔融碳酸鹽燃料電池、質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池，等等。
一些類型燃料電池可工作在高于室溫的溫度下。例如，SOFC燃料電池的工作溫度大約在700到1,000之間。燃料電池中的反應(yīng)中所使用的燃料可以是重整燃料例如氫(H2)和一氧化碳(CO)，其他燃料等。例如，對(duì)于SOFC燃料電池，H2或CO在陽(yáng)極或燃料電極與電解液傳遞的氧離子發(fā)生反應(yīng)生成H2O或CO2，并且釋放四個(gè)電子?？諝庵械难踉陉帢O或空氣電極獲得四個(gè)電子，并且變成一個(gè)氧離子。氧離子向陽(yáng)極移動(dòng)。這樣，化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生了電流或電力。燃料電池225的產(chǎn)物可以是H2O、CO2、氧氣、發(fā)動(dòng)機(jī)224生成的NOx以及經(jīng)過(guò)燃料電池225而沒(méi)有發(fā)生反應(yīng)的燃料，例如CO和H2。另外，燃料電池225釋放排氣熱量。
燃料電池225生成的電流可存儲(chǔ)在電池內(nèi)，例如電池236，或者直接用于供給車輛的電氣附件動(dòng)力，或者直接供給電動(dòng)機(jī)用于幫助發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)或驅(qū)動(dòng)車輪。
在一些實(shí)施例中，電池236向燃料電池225供給電流，以確定進(jìn)出燃料電池225的氣體流的組成特性，如本文所詳細(xì)描述的。在一個(gè)實(shí)施例中，燃料電池225和電池236由控制器248控制，控制器也控制結(jié)合圖2所描述的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行。在另一個(gè)實(shí)施例中，燃料電池225和電池236可共用一個(gè)共同的控制器。在再一個(gè)實(shí)施例中，燃料電池225和電池236可以各自具有單獨(dú)的控制器。
可以以這樣的方法來(lái)運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)224，使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行期間排出的燃料能量能夠被下游的燃料電池225充分地使用。或者，可運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)224使維持下游燃料電池的工作，以生成所需的電力。
除了生成電力，燃料電池可提供有關(guān)排氣的信息。例如，結(jié)合，每個(gè)燃料電池的組成特性可由相應(yīng)每個(gè)燃料電池的模擬溫度的模擬的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出組成特征來(lái)確定。包含跨過(guò)催化擴(kuò)散層和燃料電池的電極將提供一種方法來(lái)周期地應(yīng)用輸入燃料電池的電流。圖14是示例性系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的示意圖，在這里可以確定排氣組成特性。應(yīng)用于一種電池或多種電池的抽運(yùn)電流對(duì)應(yīng)于抽運(yùn)電壓的關(guān)系可隨空燃比或與空燃比有關(guān)的參數(shù)改變，如1412所示。因此在一些實(shí)施例中，抽運(yùn)電流/電壓的關(guān)系可用于直接獲取一個(gè)給定電池的空燃比。
進(jìn)一步的，通過(guò)使用發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)例如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(N)、負(fù)載、空氣質(zhì)量(AM)或氣流、凸輪正時(shí)、火花正時(shí)、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑溫度(ECT)等，可由1414所示的模式推斷排氣溫度。而且，可由基于發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)、例如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)載、空氣質(zhì)量或氣流、凸輪正時(shí)、火花正時(shí)、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑溫度等的模式推斷燃料電池的給排氣組成特性，如1416所示。?；趤?lái)自1414的信息，在每個(gè)電池的燃料電池溫度可由1420的模式推斷。根據(jù)電池空燃比、推斷的電池溫度、推斷的給氣組成特性、電池空速以及催化電池的還原/氧化方法的模式，可推斷每個(gè)燃料電池的燃料電池組成特性，如1430所示。因此，可以獲得排氣組成特性或排氣信息。
在一些實(shí)施例中，通過(guò)應(yīng)用電流使電流穿過(guò)催化層、燃料電池，和/或反轉(zhuǎn)穿過(guò)電池的電位，可使用這種確定組成特性的方法進(jìn)一步減小每個(gè)燃料電池的某些排放，例如NOx排放，如下面更詳細(xì)的描述。
現(xiàn)在參見圖4，圖4說(shuō)明了運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)以向燃料電池供給空氣和燃料的控制方法的示范實(shí)施例，其中，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，一些汽缸以不同于其他汽缸的空燃比進(jìn)行工作。例如，一些汽缸以濃燃運(yùn)行，同時(shí)其它汽缸以稀燃運(yùn)行，從而向燃料電池同時(shí)提供空氣和燃料。進(jìn)一步的，在一些情況下，有可能調(diào)整汽缸各自的稀和濃空燃比以提供期望的燃料電池發(fā)電水準(zhǔn)。但是，在其它情況下，稀燃汽缸和/或濃燃汽缸的標(biāo)準(zhǔn)和/或數(shù)量可隨燃料電池的條件、例如生成的功率或電流而改變，從而減少排放同時(shí)保持生成的功率。
具體地說(shuō)，方法400包括，在402，運(yùn)轉(zhuǎn)選定的稀燃汽缸向發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)下游的燃料電池供給空氣。當(dāng)選定的汽缸以稀燃運(yùn)行時(shí)，排氣系統(tǒng)可包含氧氣，因此為燃料電池內(nèi)的反應(yīng)提供氧氣。
在一些實(shí)施例中，選定的汽缸可以是發(fā)動(dòng)機(jī)一排中的一組汽缸。在一實(shí)施例中，選定的汽缸工作在無(wú)燃料噴射的噴射器切斷模式?？蛇x的，通過(guò)在冷啟動(dòng)后燃燒燃料，選定的汽缸可用來(lái)向車輛供給功率。接下來(lái)，在燃料電池暖和并能起作用后，這些汽缸可以以燃料切斷模式運(yùn)行以向燃料電池供給空氣。進(jìn)一步的，稀燃或沒(méi)有噴射燃料的汽缸的數(shù)量可以根據(jù)排氣溫度、燃料電池狀態(tài)、所需發(fā)動(dòng)機(jī)輸出或其它因素而改變。
因此，在一些實(shí)施例中，選定的發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸可用作空氣泵以向燃料電池供給空氣。在一實(shí)施例中，選定的汽缸可具有與發(fā)動(dòng)機(jī)主汽缸不同的結(jié)構(gòu)。例如，汽缸可具有不同的排量或活塞結(jié)構(gòu)。在另一實(shí)例中，汽缸可不配備燃料供給、點(diǎn)燃源和/或可變的氣門正時(shí)。
其次，方法400包括，在404，運(yùn)轉(zhuǎn)選定的濃燃汽缸向燃料電池供給燃料。在一些實(shí)施例中，選定的汽缸可在發(fā)動(dòng)機(jī)的一排中?？蛇x的，可隨機(jī)選定汽缸進(jìn)行濃燃運(yùn)行，其中，這些汽缸的數(shù)量或先后順序能根據(jù)工作條件例如溫度、燃料電池狀態(tài)或其它因素而改變。
接下來(lái)，如果需要的話，方法400包括，在406，向排氣系統(tǒng)噴射燃料以進(jìn)行重整并供給燃料電池燃料。在一些工作條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)不能為燃料電池提供足夠的氫和一氧化碳。方法400通過(guò)噴射燃料到排氣系統(tǒng)以重整并供給燃料。在一些實(shí)施例中，燃料可連同一些數(shù)量的空氣噴射入排氣歧管。在一實(shí)施例中，這些空氣可來(lái)自燃料電池空氣供應(yīng)裝置例如空氣泵。在另一實(shí)施例中，通過(guò)運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)為更稀燃料模式來(lái)供給空氣。例如使用來(lái)自排氣歧管的熱量，可重整這些噴射燃料為適于燃料電池反應(yīng)的氫和/或一氧化碳。
在一些實(shí)施例中，蒸汽或水汽可在排氣系統(tǒng)中與燃料和空氣混合以提高燃料再形成。在一實(shí)施例中，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管可配置具有大的容積并隔熱以保持高溫。這樣，排氣歧管可作為燃料重整的熱反應(yīng)器?？蛇x的，借助直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，在排氣行程中燃料可噴射入選定的汽缸。在一些實(shí)施例中，選定的汽缸可在發(fā)動(dòng)機(jī)的一排中，并且，在排氣行程中，以延遲噴射運(yùn)行的汽缸的數(shù)量及和/或延遲噴射量可根據(jù)燃料電池工作條件，例如生成的功率或電流，以及排氣條件例如溫度，而改變。可選的，在排氣行程中可隨機(jī)選擇進(jìn)行燃料噴射的汽缸，或汽缸可以預(yù)選模式中改變。動(dòng)力行程后的高溫有助于汽缸中燃料的重整，這樣，在某些情況下提供了改善的延遲噴射性能。進(jìn)一步的，在排氣歧管中可繼續(xù)進(jìn)行燃料重整以提高重整燃料量。
以上方法具有多種優(yōu)勢(shì)，例如，一些發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸可用作空氣泵向燃料電池供給所需氧氣。因此，在一實(shí)施例中，有可能去除或補(bǔ)充向燃料電池提供氧氣的空氣泵，因此減小了系統(tǒng)成本。在一些實(shí)施例中，在空氣泵性能下降的情況下，汽缸以稀燃或噴射器切斷狀態(tài)運(yùn)行可向排氣系統(tǒng)和燃料電池提供額外的空氣。進(jìn)一步的，在空氣泵不能供給足夠氧氣的情況下，以上操作也可用于補(bǔ)充空氣。
進(jìn)一步的，在一些實(shí)施例中，因?yàn)橐恍┌l(fā)動(dòng)機(jī)汽缸濃燃運(yùn)行，這些汽缸可向燃料電池供給所需的燃料。另外，例如當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)不能向燃料電池提供足夠的燃料時(shí)，燃料噴射入排氣系統(tǒng)可提供額外的燃料。進(jìn)一步的，借助直噴發(fā)動(dòng)機(jī)可在排氣行程時(shí)噴射燃料，因此不需要單獨(dú)的燃料噴射器。因此，在一些實(shí)施例中，通過(guò)延遲噴射補(bǔ)充單獨(dú)的排氣噴射，可以消除或減小分離的燃料供給系統(tǒng)和重整器的成本。
現(xiàn)在參見圖5，圖5顯示了增大進(jìn)入燃料電池的排氣溫度的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行方法的一實(shí)施例的流程圖。具體地說(shuō)，方法500包括，在502，確定燃料電池溫度。其次，在504，方法將溫度與閾值進(jìn)行比較。閾值可取最小溫度或大于最小溫度，在最小溫度時(shí)燃料電池能夠以特定性能級(jí)起作用。如果在504確定溫度大于閾值，則無(wú)需任何動(dòng)作。如果在504確定溫度低于期望值，則方法包括，在506，調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件以增大排氣系統(tǒng)的熱流。在一些實(shí)施例中，結(jié)合更大的空燃流(維持轉(zhuǎn)矩)使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行具有更大延遲點(diǎn)火正時(shí)，從而增大發(fā)動(dòng)機(jī)的熱輸出?？蛇x的，發(fā)動(dòng)機(jī)可濃燃運(yùn)行，并且空氣可噴射入排氣流。在一實(shí)施例中，噴射空氣可來(lái)自供給燃料電池空氣的泵。在另一實(shí)施例中，一些汽缸以濃燃運(yùn)行而一些汽缸以稀燃運(yùn)行。這樣，發(fā)動(dòng)機(jī)濃燃運(yùn)行的燃燒產(chǎn)物可與空氣以放熱反應(yīng)形式發(fā)生反應(yīng)，從而釋放熱量及提高溫度。
如上所述，燃料電池的溫度可維持在適合于所需操作的選定范圍內(nèi)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)用作燃料電池的熱源時(shí)，在一些情況下，例如冷啟動(dòng)或減速斷燃料時(shí)，可能要花時(shí)間將燃料電池加熱到所需工作溫度。通過(guò)執(zhí)行例程500，燃料電池溫度可快速升到燃料電池所需操作要求的溫度范圍。
參見圖6，圖6顯示具有燃料電池和催化劑的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的示意圖。如圖6所示，NOx還原催化劑620置于位于發(fā)動(dòng)機(jī)624的下游和燃料電池625上游的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣通道612。NOx還原催化劑的排氣經(jīng)由通道622進(jìn)入燃料電池625。燃料電池625與電池636電氣地相通。
所示的空燃比傳感器652置于燃料電池625之前，并且所示的空燃比傳感器654置于燃料電池625之后。傳感器652和654可以是HEGO傳感器、通用排氣氧含量(UEGO)傳感器或其它空燃比傳感器?？蛇x的，雙態(tài)排氣氧含量傳感器可取代傳感器652和654。
燃料電池溫度可由溫度傳感器656進(jìn)行測(cè)量，和/或基于工作條件例如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)載、氣溫、發(fā)動(dòng)機(jī)溫度和/或氣流或其組合進(jìn)行估計(jì)。
除了上面結(jié)合圖2所描述的信號(hào)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制器648接收傳感器傳來(lái)的信號(hào)。
在圖6說(shuō)明的實(shí)施例中，通過(guò)燃料供給系統(tǒng)640將燃料添加到發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)?？蛇x的，如果發(fā)動(dòng)機(jī)是直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，在排氣行程中，燃料可添加到排氣歧管或噴射入汽缸。在一些實(shí)施例中，發(fā)動(dòng)機(jī)可以濃燃模式運(yùn)行，并且可以提供燃料電池625運(yùn)行所需的全部燃料。
同樣地，空氣泵660可以供給燃料電池625所需的空氣?？蛇x的，發(fā)動(dòng)機(jī)可以能夠供給所需空氣的方式運(yùn)行。例如，如上所述，空氣泵可以是發(fā)動(dòng)機(jī)624的選定汽缸或指定汽缸，其中，汽缸可工作在切斷燃料狀態(tài)。在一些實(shí)施例中，可由具有稀燃運(yùn)行的選定汽缸的發(fā)動(dòng)機(jī)供給空氣。
在燃料電池電聯(lián)產(chǎn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)可以濃燃運(yùn)行。在濃燃運(yùn)行模式下，具有相對(duì)低的NOx排放。在圖示實(shí)施例中，NOx還原催化劑620位于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)下游和燃料電池625上游。NOx還原催化劑可以是NOx催化劑或稀燃NOx捕集器。在NOx還原催化劑，當(dāng)未燃燃料、重整燃料、CO、H2等進(jìn)入燃料電池625時(shí)，NOx還原為N2和O2。
在燃料電池中，CO、H2和HC氧化成CO2和H2O。因此，通過(guò)適當(dāng)控制燃料電池的工作條件，燃料電池可將CO、H2和HC排放減小到期望的水平。具體地說(shuō)，基于傳感器650和/或傳感器652以及燃料電池狀態(tài)和其它工作條件，通過(guò)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比可以控制燃料電池的氧化反應(yīng)。下面詳細(xì)描述各種實(shí)例控制策略。
在一些實(shí)施例中，燃料電池625加入鉑族金屬(PGM)以提高燃料電池的氧化功效。PGM可以是鉑、鈀或其它稀有金屬。在這樣的結(jié)構(gòu)中，CO、H2和HC可在PGM表面的反應(yīng)中以及燃料電池電極處的反應(yīng)中被氧化。
如上所述的系統(tǒng)具有多種優(yōu)勢(shì)。例如，特別設(shè)計(jì)用于去除NOx的NOx還原催化劑減少了NOx排放。這樣，可對(duì)催化劑進(jìn)行優(yōu)化以提高去除NOx的功效。進(jìn)一步的，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)濃燃運(yùn)行時(shí)，NOx還原催化劑處于缺氧環(huán)境中。這樣有助于NOx還原反應(yīng)。進(jìn)一步的，因?yàn)镹Ox還原反應(yīng)是放熱反應(yīng)，燃料電池上游處的NOx還原催化劑有利于燃料電池的工作。例如，放熱反應(yīng)釋放的熱量可將燃料電池的溫度升到產(chǎn)生改善燃料電池工作的程度。另外，因?yàn)镹Ox還原催化劑620和排氣通道622的溫度更高，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)和/或燃料供給系統(tǒng)的未燃燃料經(jīng)過(guò)NOx還原催化劑620和排氣通道622時(shí)，更多的燃料得以重整。
應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，如果起因于濃燃運(yùn)行的NOx排放能滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，或如果可使用其它方法滿足規(guī)定的排放程度，在一些實(shí)施例中可去除控制NOx的排放控制裝置。
此外，燃料電池可作為排放控制裝置，在產(chǎn)生功率時(shí)通過(guò)將CO、H2、HC氧化為CO2、H2O，從而減少CO、H2、HC的排放。因此，有可能去除氧化催化劑或三元催化轉(zhuǎn)化器。
圖7是減量排放系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例的示意圖。系統(tǒng)包含發(fā)動(dòng)機(jī)724、發(fā)動(dòng)機(jī)724下游的NOx還原催化劑720、NOx還原催化劑720下游的燃料電池725，以及氧化催化劑760。NOx還原催化劑720通過(guò)排氣通道712與發(fā)動(dòng)機(jī)724相通。燃料電池725通過(guò)排氣通道722與NOx還原催化劑720相通，并且通過(guò)排氣通道732與氧化催化劑相通。系統(tǒng)進(jìn)一步包含向燃料電池725供給燃料的燃料供給系統(tǒng)740，以及向燃料電池725和氧化催化劑760供給空氣的空氣泵760。燃料電池725與電池736電氣相通。傳感器750和752可選擇置于燃料電池725之前和之后，傳感器754置于氧化催化劑之后。傳感器向控制系統(tǒng)運(yùn)行的控制器748發(fā)送排氣信息。
圖7所示的實(shí)施例和圖6所示的實(shí)施例相類似，但是，圖7的實(shí)施例添加了燃料電池725下游的氧化催化劑760和氧化催化劑760的空氣供給。氧化催化劑760的作用在于可以進(jìn)一步減少經(jīng)過(guò)燃料電池725未反應(yīng)的CO、H2、HC排放?？蛇x的，三元催化轉(zhuǎn)化器(TWC)可取代氧化催化劑760以減少NOx、CO、H2、HC等的排放。在這樣的結(jié)構(gòu)中，傳感器、例如氧氣傳感器可設(shè)置于TWC中。因此，在TWC中的排氣信息可及時(shí)發(fā)送到控制器以調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行。
圖8顯示催化裝置的示范實(shí)施例的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以是燃料電池和催化劑的組合。催化裝置包括具有燃料電池部分和催化轉(zhuǎn)換部分的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖8顯示催化裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)810的示范實(shí)施例的示意圖。內(nèi)部結(jié)構(gòu)810具有燃料電池部分和催化轉(zhuǎn)換部分。內(nèi)部結(jié)構(gòu)810包括支撐結(jié)構(gòu)812、支撐結(jié)構(gòu)812第一表面支撐陽(yáng)極814、支撐結(jié)構(gòu)812第二表面支撐陰極816，以及支撐結(jié)構(gòu)812第一表面支撐催化轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)818。圖8顯示設(shè)于支撐結(jié)構(gòu)812相對(duì)側(cè)的陽(yáng)極814和陰極816，以及位于陽(yáng)極814側(cè)的催化轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)818。但是應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，可使用這些層之間的其它中間層。進(jìn)一步的，應(yīng)理解，催化轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)818可設(shè)于陽(yáng)極814的僅部分表面上，或者充分覆蓋陽(yáng)極814。同樣地，陽(yáng)極814和陰極816都可完全覆蓋各自的支撐面，或者僅部分地覆蓋支撐面。此外，當(dāng)使用“內(nèi)部結(jié)構(gòu)”術(shù)語(yǔ)描述形成和/或支撐燃料電池和催化轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，至少部分內(nèi)部結(jié)構(gòu)810可暴露于催化裝置外部的空氣，如下面更詳細(xì)的描述。
支撐結(jié)構(gòu)812、陽(yáng)極814和陰極816相互配合形成燃料電池結(jié)構(gòu)820，以通過(guò)供給陽(yáng)極814的未被氧化和/或部分被氧化的排氣成分結(jié)合供給陰極816的氧氣(或其它含氧氧化劑)生成電位。被燃料電池結(jié)構(gòu)820用作燃料的排氣成分的實(shí)例包括但不限于氫、一氧化碳以及未被氧化和部分被氧化的碳?xì)浠衔铩?br> 催化轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)818可配置成多孔的或?qū)ε艢庥袧B透性的其他形式，因此，這些排氣可到達(dá)由催化轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)818覆蓋的陽(yáng)極814部分，以供燃料電池結(jié)構(gòu)820消耗。進(jìn)一步的，催化轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)818有助于重整排氣中的碳?xì)浠衔?，從而為燃料電池結(jié)構(gòu)820形成更多燃料。另外，催化轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)818可以氧化任何氫、一氧化碳、碳?xì)浠衔镆约捌渌幢蝗剂想姵亟Y(jié)構(gòu)820消耗的可氧化的排氣成分，也可對(duì)催化轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)818進(jìn)行配置以減少NOx排放。以這種方式，催化轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)818和燃料電池結(jié)構(gòu)820可相互配合由排氣生成電位，并減少發(fā)動(dòng)機(jī)24的排氣系統(tǒng)的不良排放的濃度。
比起在排放系統(tǒng)中使用分離的氧化催化裝置和燃料電池，使用帶圖8所述的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的催化裝置可提供多種優(yōu)勢(shì)。例如，在催化轉(zhuǎn)換器沿排氣系統(tǒng)與燃料電池分離的應(yīng)用中，催化轉(zhuǎn)換裝置內(nèi)催化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量可能流失。相反，燃料電池結(jié)構(gòu)820和催化轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)818的構(gòu)造允許催化轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)818產(chǎn)生的熱量用來(lái)加熱燃料電池結(jié)構(gòu)820。這是很有益的，因?yàn)閭鹘y(tǒng)催化轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)不同方式浪費(fèi)的熱能可用來(lái)將燃料電池結(jié)構(gòu)820加熱到普通工作溫度，對(duì)于一些燃料電池類型例如SOFC，普通工作溫度在800-1000攝氏度的等級(jí)。進(jìn)一步的，相對(duì)于使用分離的催化轉(zhuǎn)換器和燃料電池，使用催化裝置有助于減少排放系統(tǒng)使用的元件數(shù)量。
發(fā)動(dòng)機(jī)24可以這樣的方式運(yùn)行，即發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生交替的濃排氣和稀排氣周期。例如，這種空燃比的波動(dòng)通常與例如三元催化劑一起用于普通催化劑工作。在具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)810的催化裝置上下文中，可用濃排氣周期來(lái)供給燃料電池結(jié)構(gòu)820燃料，以及可用稀排氣周期用于增加催化轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)818的氧含量以促進(jìn)排氣成分的催化氧化。在一些實(shí)施例中，使空燃比基本圍繞化學(xué)計(jì)量點(diǎn)波動(dòng)，而在其它實(shí)施例中，可以使空燃比圍繞偏離化學(xué)計(jì)量點(diǎn)的一中間點(diǎn)進(jìn)行波動(dòng)，可以是化學(xué)計(jì)量點(diǎn)的濃側(cè)或稀側(cè)。圍繞濃于化學(xué)計(jì)量點(diǎn)的中間點(diǎn)波動(dòng)空燃比，對(duì)比圍繞化學(xué)計(jì)量點(diǎn)的中間點(diǎn)波動(dòng)空燃比或稀空燃比，可向燃料電池結(jié)構(gòu)820提供更多的未被氧化的和部分被氧化的排氣產(chǎn)物形式的燃料。
在一些實(shí)施例中，可利用整流器822使燃料電池結(jié)構(gòu)820的輸出變平滑。例如，因?yàn)榭杖急鹊牟▌?dòng)可能產(chǎn)生不平坦燃料電池輸出，整流器822可用于使用波動(dòng)或其他形式的可變空燃比來(lái)運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)24的實(shí)施例中。任何合適的整流電路可用作整流器822。合適的電路包括配置成輸出用于所需應(yīng)用的合適電壓和/或電流的電路。例如，整流器822可包括一個(gè)或多個(gè)二極管或類似的電路元件，以有助于在排氣成分發(fā)生變化時(shí)阻止電流反向。
任何適宜材料可用作支撐結(jié)構(gòu)812。例如，在一些實(shí)施例中，支撐結(jié)構(gòu)812至少部分由能夠在陰極816和陽(yáng)極814之間傳導(dǎo)氧離子的固體電解質(zhì)材料制成。在其它實(shí)施例中，支撐結(jié)構(gòu)812由不具有離子傳導(dǎo)能力但覆蓋有離子導(dǎo)體從而在陰極816和陽(yáng)極814之間存在離子傳導(dǎo)路徑的材料制成。甚至在其它實(shí)施例中，支撐結(jié)構(gòu)812可由多于一種離子傳導(dǎo)材料成形。用于支撐結(jié)構(gòu)812的適宜離子傳導(dǎo)材料的實(shí)例包括但不限于氧化鋯基材料。支撐結(jié)構(gòu)812可具有典型地使用在三元催化轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)中的蜂巢型結(jié)構(gòu)，或者可具有任何其它合適的結(jié)構(gòu)。
同樣地，陽(yáng)極814和陰極816可由任何合適的材料形成。用作陽(yáng)極814和陰極816的合適的材料包括具有與支撐結(jié)構(gòu)812相似的熱膨脹特性的材料，因?yàn)榇呋b置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)810可承受從極低溫度(例如，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)24在寒冷天氣中靜止時(shí))到通常用來(lái)操作固態(tài)氧燃料電池的極高溫度的熱循環(huán)。作為預(yù)測(cè)的實(shí)例，有可能使用設(shè)計(jì)上類似EGO、UEGO、NOx傳感器的材料，其中，選定材料的熱膨脹率以減小或消除從陽(yáng)極層到陰極層物種(species)的傳遞。例如，這是因?yàn)檫@些類型傳感器通常配置成能夠在與固態(tài)氧燃料電池一樣的環(huán)境條件下工作。
催化轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)818也可由任何合適的材料形成。合適的材料包括但不限于傳統(tǒng)的三向催化涂層。這些涂層包括但不限于鋇、鈰以及包括但不限于鉑、鈀和銠的鉑族金屬。
具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)810的催化裝置可包括阻止氧化劑和燃料到達(dá)不正確電極的結(jié)構(gòu)。例如，支撐結(jié)構(gòu)812可具有蜂巢型的內(nèi)部構(gòu)造，和具有至少部分由包圍蜂巢材料的離子傳導(dǎo)材料(或覆蓋離子傳導(dǎo)材料)形成的連續(xù)外表面，因而在蜂巢材料內(nèi)包含排氣。在這些實(shí)施例中，陽(yáng)極814位于支撐結(jié)構(gòu)812的內(nèi)表面上，并且陰極816位于支撐結(jié)構(gòu)812的連續(xù)外表面的外側(cè)面上。發(fā)動(dòng)機(jī)24的排氣可直接進(jìn)入支撐結(jié)構(gòu)812的內(nèi)部，并且支撐結(jié)構(gòu)的連續(xù)外表面可阻止排氣到達(dá)陰極816。
具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)810的催化裝置可配置成以任何合適方式向陰極816提供氧化劑。例如，催化裝置可配置成向陰極816提供空氣。圖9顯示向陰極816提供環(huán)境空氣和阻止空氣到達(dá)陽(yáng)極814的結(jié)構(gòu)的示意描述。催化裝置900包括基本包圍內(nèi)表面810的外殼920。外殼920包括一個(gè)或多個(gè)開口902，開口902配置成允許空氣到達(dá)位于支撐結(jié)構(gòu)812的外表面的陰極816。進(jìn)一步的，在內(nèi)部結(jié)構(gòu)810的上游端和外殼920之間提供密封904，因而阻止排氣到達(dá)陰極816。在內(nèi)部結(jié)構(gòu)810的下游端和外殼920之間提供額外的密封906，從而提供進(jìn)一步的保護(hù)阻止氧氣到達(dá)陽(yáng)極和排氣到達(dá)陰極。
在一些實(shí)施例中，具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)810的催化裝置可配置成從不同于環(huán)境空氣的源頭接收助燃?xì)?。例如，在一些?shí)施例中，可配置催化裝置從配置成產(chǎn)生稀排氣的一個(gè)或多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸接收供陰極816使用的氧化劑氣體。在這些實(shí)施例中，發(fā)動(dòng)機(jī)24的不同汽缸可配置成以不同空燃比同時(shí)運(yùn)行。
圖10在1000處總體顯示了配置成從一個(gè)或多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸接收助燃?xì)獾拇呋b置的實(shí)施例的示意描述。催化裝置1000配置成從第一排氣管道1002接收排氣以向第一電極提供第一輸入，以及從第二排氣管道1004接收排氣以向第二電極提供第二輸入。內(nèi)部結(jié)構(gòu)1006包括燃料電池結(jié)構(gòu)和催化轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，如上面圖8的實(shí)施例的上下文中所述。第一電極(圖中未示)形成在內(nèi)部結(jié)構(gòu)1006的內(nèi)表面1008上或與內(nèi)表面1008鄰接(或由內(nèi)表面1008支撐)，第二電極(圖中未示)形成在內(nèi)部結(jié)構(gòu)1006的外表面1010上或與外表面1010鄰接(或由外表面1010支撐)。
在一些實(shí)施例中，第一排氣管道1002的第一輸入可以是濃燃汽缸的排氣，并且第二排氣管道1004的第二輸入可以是稀燃汽缸的排氣。在這些實(shí)施例中，第一電極可以是陽(yáng)極，并且第二電極可以是陰極。
在其它實(shí)施例中，來(lái)自第一排氣管道1002的第一輸入可以是來(lái)自稀燃汽缸的排氣，并且來(lái)自第二排氣管道1004的第二輸入可以是來(lái)自濃燃汽缸的排氣。在這些實(shí)施例中，第一電極可以是陰極，而第二電極可以是陽(yáng)極。在這兩種情況下，可在內(nèi)部結(jié)構(gòu)1006的上游端和外殼1014之間提供密封1212以阻止來(lái)自第一排氣管道1002的排氣到達(dá)與結(jié)構(gòu)1006的外表面1010鄰接的第二電極，并且阻止第二排氣管道1004的排氣到達(dá)與內(nèi)表面1008鄰接的第一電極。
進(jìn)一步的，外殼1014可配置成能包含排氣，使得經(jīng)過(guò)第二排氣管道1004流入催化裝置1000的排氣和燃料電池結(jié)構(gòu)沒(méi)有消耗的排氣經(jīng)過(guò)第二排氣管道1004流出外殼1014。在需要時(shí)額外的催化裝置可位于第二排氣管道1004和/或第一排氣管道。應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，催化轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)(例如，三元催化劑涂層)可部分或完全位于內(nèi)部結(jié)構(gòu)1006的內(nèi)表面1008的第一電極上，和/或內(nèi)部結(jié)構(gòu)1006的外表面1010的第二電極上。
應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，可使用圖4所示的控制方法400及上述相應(yīng)描述操作具有催化裝置1000的發(fā)動(dòng)機(jī)。在一實(shí)施例中，第一管道1002或第二管道1004可連接到被用作空氣泵向燃料電池供給空氣的汽缸。
除了如上所述優(yōu)點(diǎn)，圖8-10描述的催化裝置可節(jié)約成本并提供排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。例如，在一實(shí)施例中，因?yàn)榇呋b置既用作燃料電池又用作催化劑，例如，可以代替如圖6或圖7所示的分離的燃料電池或分離的催化劑。
圖11是使用燃料電池工作條件來(lái)控制排放的方法或例程的一實(shí)施例。該方法包括，在1104處確定進(jìn)入燃料電池的排氣所需的空燃比，其中，空燃比和氧化劑/還原劑的比率成比例。因此，至少在一些情況下，控制空燃比能夠控制氧化劑/還原劑比率。在一些實(shí)施例中，例如，所需的空燃比可根據(jù)燃料電池的實(shí)際性能進(jìn)行確定，例如生成的電流或電壓，和/或來(lái)自燃料電池上游和下游的傳感器的排氣信息。此外，所需的空燃比可基于所需的發(fā)電水準(zhǔn)，或基于發(fā)動(dòng)機(jī)或車輛信息，例如發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后的時(shí)間，或其它信息。
其次，方法1100包括，在1106處根據(jù)燃料電池工作條件和期望值調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比。燃料電池的工作條件可以基于排氣信息，排氣信息可包括自排氣空燃比傳感器的反饋(例如燃料電池上下游的傳感器)，以及燃料電池排氣空燃比指示，如下面關(guān)于圖12的詳細(xì)描述。在一些實(shí)施例中，可通過(guò)改變進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管的空燃比調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比和/或排氣空燃比。在其它實(shí)施例中，可通過(guò)改變噴射入排氣中的空氣和/或燃料調(diào)整排氣空燃比。在又一個(gè)實(shí)施例中，可以使用以上調(diào)整的組合。
例如，在一實(shí)施例中，一些汽缸濃燃運(yùn)行而一些汽缸稀燃運(yùn)行，其中，可通過(guò)改變單個(gè)汽缸的稀空燃比和/或濃空燃比調(diào)整汽缸的排氣混合空燃比。在另一實(shí)施例中，操作選定的汽缸作為無(wú)燃料噴射的空氣泵，并且通過(guò)改變這種汽缸的數(shù)量來(lái)調(diào)整混合空燃比。在又一實(shí)施例中，如果發(fā)動(dòng)機(jī)是直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，在排氣行程中噴射燃料以調(diào)整排氣空燃比?？蛇x的，與發(fā)動(dòng)機(jī)供給系統(tǒng)分離的空氣供給裝置或燃料供給系統(tǒng)可用于將空氣和燃料引入排氣中。
下一個(gè)，方法1100包括，在1108處確定進(jìn)入氧化催化劑的排氣系統(tǒng)中所需的空氣量，因?yàn)檠趸呋瘎┬枰鯕膺M(jìn)行氧化反應(yīng)。例如，比較從氧化催化劑前后傳感器獲取的排氣信息以確定所需量。其次，方法1100包括，在1110根據(jù)氧化催化劑的工作條件將進(jìn)入氧化催化劑的空氣量調(diào)整到期望值?？赏ㄟ^(guò)混合來(lái)自燃料電池空氣泵的空氣和來(lái)自燃料電池的排氣，來(lái)調(diào)整空氣量。燃料電池空氣泵可以是與發(fā)動(dòng)機(jī)空氣供給裝置分離的泵?？蛇x的，選定的稀燃運(yùn)行汽缸可提供空氣。在一些實(shí)施例中，發(fā)動(dòng)機(jī)和燃料電池的排氣流的結(jié)合可與進(jìn)入氧化催化劑前的空氣或與在氧化催化劑中的空氣進(jìn)行混合。
可選的，可使用TWC代替氧化催化劑。通過(guò)調(diào)整進(jìn)入TWC的空氣量也可控制TWC中的反應(yīng)。
這種方法，例如在發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行依賴燃料電池的工作條件的情況下，能夠提供多種優(yōu)勢(shì)。在一個(gè)實(shí)施例中，根據(jù)指示在燃料電池前面、后面或燃料電池中的排氣的排氣空燃比的燃料電池的信息，調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比。具體地說(shuō)，通過(guò)以這種方式調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比，可減少燃料電池的排放和/或可能增大燃料電池的發(fā)電。換句話說(shuō)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)作為主功率源運(yùn)行時(shí)，也可調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)使得燃料電池的排放完全受控。
參見圖12，圖12顯示了基于空燃比傳感器和/或指示空燃比的燃料電池信息而控制發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的示范方法或例程的實(shí)施例。方法1200包括，在1202處根據(jù)工作條件確定發(fā)動(dòng)機(jī)所需的空燃比。工作條件可以是發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器或催化劑的工作條件。其次，方法1200包括，在1204處根據(jù)所需空燃比和工作條件，比如歧管氣流(MAF)，確定開環(huán)燃料噴射及空氣量。
其次，方法1200包括，在1206處根據(jù)工作條件確定是否進(jìn)行反饋調(diào)整。如果答案為否，例程基于1216處的開環(huán)調(diào)整燃料噴射和空氣吸入。如果答案為是，方法1200包括，在1208處，如果系統(tǒng)具有空燃比傳感器則讀取一個(gè)或更多空燃比傳感器的數(shù)值?？杖急葌鞲衅骺梢允荋EGO傳感器、UEGO傳感器或其它適宜傳感器。其次，方法1200包括，在1210處診斷燃料電池和/或空燃比傳感器是否起作用，例如是否能夠提供關(guān)于空燃比測(cè)量的信息。如果答案為否，例程在1216根據(jù)開環(huán)值調(diào)整燃料噴射和空氣吸入。如果答案是，方法1200包括，在1212處根據(jù)空燃比傳感器和/或燃料電池輸出，例如電流、電壓等，確定反饋調(diào)整。其次，方法1200包括，在1214處根據(jù)開環(huán)和反饋調(diào)整，調(diào)整進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)或排氣系統(tǒng)的燃料噴射及空氣吸入，以實(shí)現(xiàn)所需的空燃比。這樣，通過(guò)開環(huán)和/或閉環(huán)燃料噴射可獲取所需空燃比。
這樣，方法1200將燃料電池用作傳感器中的空燃比傳感器。在將燃料電池構(gòu)造成類似于能斯脫電池的實(shí)例中，可將空燃比定為關(guān)于電氣輸出例如電流、電壓或阻抗的函數(shù)。例如，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)組成特性和溫度模型，能夠運(yùn)用能斯脫方程式確定燃料電池組成特性?？蛇x的，通過(guò)供給電流給上游燃料電池和觀察由于先前的引進(jìn)產(chǎn)生的電流變化，可以推斷燃料電池的燃料供給和排氣組成特性。因而確定了空燃比。
需特別注意，當(dāng)電流用于燃料電池時(shí)，陽(yáng)極的NOx可接收電子并且還原為N2和O2。這樣，通過(guò)供給每摩爾NOx大約5.8kJ或每摩爾NOx大約0.002hpxhr，有可能配置燃料電池還原NOx以形成N2和O2。每摩爾NOx 5.8kJ或每摩爾NOx 0.002hpxhr的常數(shù)或數(shù)量是在大氣條件下分離NOx所需的吉布斯能(gibbs energy)的變化，其可能隨著燃料電池的環(huán)境條件而變化。在一些實(shí)施例中，可使電流流經(jīng)催化層和/或燃料電池。在其它實(shí)施例中，通過(guò)反轉(zhuǎn)燃料電池電位應(yīng)用電流。
除了將燃料電池用作發(fā)電和減量排放裝置使用，將燃料電池用作傳感器，具有多種優(yōu)勢(shì)。首先，有可能減少許多排氣空燃比傳感器從而減小系統(tǒng)成本。進(jìn)一步地，燃料電池可用作額外的空燃比傳感器以補(bǔ)充其它空燃比傳感器信息。另外在一實(shí)施例中，當(dāng)將電池電流應(yīng)用于燃料電池時(shí)，通過(guò)將NOx還原為N2和O2減少NOx排放。因此，燃料電池可用作多個(gè)功能，例如發(fā)電、傳感及和/或排放控制。
進(jìn)一步地，在另一實(shí)施例中，可運(yùn)用如燃料電池產(chǎn)生的電壓或電流信息來(lái)調(diào)整除了燃燒或排氣空燃比以外的發(fā)動(dòng)機(jī)操作。例如，響應(yīng)測(cè)量的燃料電池條件，來(lái)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)以改變排氣組成特性，從而調(diào)整燃料電池工作。
圖13說(shuō)明診斷空燃比傳感器和/或燃料電池功能的方法或例程的實(shí)施例。例程1300包括，在1320處確定是否能夠進(jìn)行基于燃料電池的診斷。如果答案否，結(jié)束診斷例程。如果答案是，例程包括，在1340處根據(jù)燃料電池的電氣輸出確定空燃比傳感器和/或燃料電池的狀況。其次，例程1300包括，在1360處確定電氣輸出值是否在預(yù)定范圍之外。預(yù)定范圍可以是期望燃料電池和空燃比傳感器在給定的電流工作條件內(nèi)的范圍。如果答案否，認(rèn)為燃料電池和空燃比傳感器在起作用，并且診斷例程終止。如果答案是，例程1300在1380處診斷出燃料電池及空燃比傳感器性能下降。
因此，在一個(gè)實(shí)例中，例程使用燃料電池的狀態(tài)診斷空燃比傳感器的功能。在另一實(shí)例中，例程使用空燃比傳感器的狀態(tài)確定燃料電池的功能。這樣，例程允許燃料電池除了發(fā)電還具有診斷功能。
正如本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員所認(rèn)可的，下面流程圖中所述的具體例程和框圖可表示任意數(shù)量的處理策略中的一個(gè)或多個(gè)，例如事件驅(qū)動(dòng)、中斷驅(qū)動(dòng)、多任務(wù)、多線程，等等。同樣地，圖示的各個(gè)步驟或功能可根據(jù)所示的次序執(zhí)行，或并行執(zhí)行，或在一些忽略的情況下執(zhí)行。同樣地，處理次序并非實(shí)現(xiàn)本發(fā)明公開的特征和優(yōu)勢(shì)所必要的，只是易于進(jìn)行圖解和描述。盡管沒(méi)有明確說(shuō)明，本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員應(yīng)該意識(shí)到，可以根據(jù)要使用的具體策略重復(fù)地執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)圖示步驟或功能。進(jìn)一步地，這些圖形表示要編程到控制器48中的計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)媒體中的代碼。
應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，這里公開的步驟本質(zhì)上是示范性的，并且這些具體實(shí)施例不應(yīng)視為具有限制意義，因?yàn)榭赡艽嬖谠S多變體。本發(fā)明的主題包括在本文中公開的各種凸輪軸和/或氣門正時(shí)、燃料噴射正時(shí)和其它特征、功能和/或?qū)傩缘娜啃路f的和非顯而易見的組合和子組合。
本申請(qǐng)的權(quán)利要求特別指出視為新穎和非顯而易見的特定組合及子組合。這些權(quán)利要求可能引用“一個(gè)”元素或“第一”元素或其等價(jià)。這樣的權(quán)利要求應(yīng)被理解為包括對(duì)一個(gè)或一個(gè)以上這樣的元素的結(jié)合，而不是要求或排除兩個(gè)或兩個(gè)以上這樣的元素。所公開的特征、功能、元素和/或?qū)傩缘钠渌M合及子組合可以通過(guò)本發(fā)明權(quán)利要求的修改或通過(guò)在本申請(qǐng)或相關(guān)申請(qǐng)中提供新的權(quán)利要求來(lái)請(qǐng)求保護(hù)。這樣的權(quán)利要求，無(wú)論是在范圍上比原始權(quán)利要求更寬、更窄、等價(jià)或不同，都應(yīng)被視為包括在本發(fā)明的主題之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種具有帶排氣系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛系統(tǒng)，所述車輛系統(tǒng)包含連接到發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)內(nèi)的燃料電池，其中，所述燃料電池具有輸出電路；與所述燃料電池連接的電池；以及接收指示所述燃料電池輸出電路的電氣輸出的信號(hào)以及響應(yīng)所述信號(hào)調(diào)整供給發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料量或空氣量從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的空燃比的控制器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述電氣輸出是電流、電壓和阻抗之一。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器根據(jù)從電氣輸出和排氣溫度推斷的排氣率調(diào)整燃料量和空氣量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器進(jìn)一步調(diào)整應(yīng)用于燃料電池的電流，并且所述信號(hào)指示燃料電池電流的變化。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述燃料電池的電氣輸出用于診斷燃料電池的性能下降。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包含至少一個(gè)空氣燃料傳感器，其中，燃料電池的電氣輸出用于診斷空氣燃料傳感器的性能下降。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述燃料電池是固態(tài)氧化物燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池之一。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)在燃料電池直接上游和直接下游不具有空燃比傳感器。
9.一種運(yùn)行車輛內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，所述發(fā)動(dòng)機(jī)也具有位于發(fā)動(dòng)機(jī)下游并連接到發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)內(nèi)的燃料電池，以及與燃料電池連接的電池，該方法包含調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)以響應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)內(nèi)連接的燃料電池的電氣輸出。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述電氣輸出是電流、阻抗和電壓之一，其中，所述電氣輸出向存儲(chǔ)裝置提供能量，并且所述存儲(chǔ)裝置向車輛電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)輪選擇性提供能量。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)是燃料噴射量、空氣吸入量、可變氣門正時(shí)和排氣再循環(huán)量之一。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，調(diào)整所述發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃料噴射量以響應(yīng)所述電氣輸出。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，基于所述電氣輸出執(zhí)行發(fā)動(dòng)機(jī)閉環(huán)燃料噴射。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，由所述電氣輸出推斷排氣空燃比。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，通過(guò)向燃料電池供給電流以生成提供關(guān)于排氣空燃比信息的電氣輸出，推斷排氣空燃比。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述燃料電池是固態(tài)氧化物燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池之一。
17.一種運(yùn)行車輛內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，所述發(fā)動(dòng)機(jī)具有位于發(fā)動(dòng)機(jī)下游的燃料電池以及與所述燃料電池連接的電池，該方法包含通過(guò)控制從電池供給燃料電池的電流，產(chǎn)生燃料電池的電氣輸出；以及調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)以響應(yīng)所述燃料電池的電氣輸出。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，從所述燃料電池的電氣輸出的變化推斷進(jìn)入燃料電池的混合物的空燃比。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述方法進(jìn)一步包含向燃料電池供給電流以減小發(fā)動(dòng)機(jī)排放的NOx。
全文摘要
一種具有帶排氣系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛系統(tǒng)，包含連接到發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)內(nèi)的燃料電池，其中，燃料電池具有輸出電路；與燃料電池連接的電池；以及控制器，所述控制器接收指示燃料電池輸出電路的電氣輸出的信號(hào)以及響應(yīng)所述信號(hào)調(diào)整供給發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料量或空氣量從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的空燃比。這樣，燃料電池的電氣輸出可用作排氣信息的指示，例如排氣空燃比，用于調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，燃料電池可作為能斯脫電池工作。
文檔編號(hào)B60W20/00GK101020422SQ20061013951
公開日2007年8月22日 申請(qǐng)日期2006年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月14日
發(fā)明者夏恩·埃爾沃特, 詹姆士·克恩茲, 戈皮昌德拉·蘇尼拉, 大衛(wèi)·比德納 申請(qǐng)人:福特環(huán)球技術(shù)公司