CN102052201B - 用于加湿内燃发动机的进气的方法和装置 - Google Patents

用于加湿内燃发动机的进气的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种加湿内燃发动机(12)的进气的方法，在该方法中确定进气(3)的湿度并且根据进气的湿度将液体喷洒至进气(3)中。此外，本发明公开了一种加湿内燃发动机(12)的进气的装置，该装置包括将液体喷洒至进气(3)中的喷嘴(11)。该装置包括确定进气(3)的湿度的传感器(29)。

Description

用于加湿内燃发动机的进气的方法和装置
技术领域
本发明涉及用于加湿内燃发动机的进气的方法和装置。本发明还涉及内燃发动机。
背景技术
关于柴油发动机的排放污染物的法规要求大量降低柴油发动机的氮氧化物排放。关于氮氧化物的排气后处理对各个拥有者或客户来说是昂贵的、维修密集的、不总是可靠的并且代价高的。此外，例如对于推进剂、尿素等的后喷射需要额外的复杂部件。因此，当正在发生后处理或再生过程时，必须使机器运行在独立的运行范围中。
氮氧化物的排放是燃烧过程的直接结果。这意味着可在燃烧期间降低氮氧化物的产生从而减少并优化后处理过程。还可考虑例如细粉尘排放和氮氧化物排放之间的折衷。例如，可承受相对高水平的细粉尘排放以获得较低的氮氧化物排放。
EP 1 076 169A2描述一种加湿内燃发动机的进气的装置，该内燃发动机具有涡轮增压器。该装置包括加湿器件，进气和加湿液体流动通过该加湿器件并开始彼此接触。该加湿装置被设置在进气流动方向上涡轮增压器的压缩机的下游。
WO 95/23268描述一种方法和相关装置，其中由配备涡轮增压器的柴油内燃发动机来加湿进气。以此方式，降低排气中NOx的比例。在这种情况下，使用了进气和水流动穿过的加湿器件，其中进气在加湿过程之前被涡轮增压器的压缩机压缩。
DE 102 04 181C1公开一种活塞式内燃发动机，其具有至少一个涡轮增压器和一个联接在其下游的增压空气冷却器并且具有输送水以降低NOx的器件。在这种情况下，可通过较少结构上的耗费和较小空间需求将大量水引入。为此目的，用于以细小雾化液滴形式将水喷洒到增压空气中的器件被设置在涡轮增压器和增压空气冷却器之间，并且提供了控制单元，该控制单元至少感测增压空气的压力值和温度值并且以在增压空气中能够达到水的露点温度的方式控制喷射水量。
DE 199 02 349A1描述一种用于控制带有燃料喷射和水喷射的发动机的水喷射量的系统，该系统的不同之处在于：根据发动机的运转状态和排气再循环系统的运行状态控制水的喷射量。
发明内容
针对此背景，本发明的第一目的是提供一种有利的加湿发动机进气的方法。本发明的第二目的是提供一种有利的加湿发动机进气的装置。此外，本发明的第三目的包括提供一种有利的内燃发动机。
第一目的通过根据本发明的一种加湿内燃发动机的进气的方法实现。第二目的通过根据本发明的一种加湿内燃发动机的进气的装置实现。第三目的通过根据本发明的一种内燃发动机实现。具体实施方式包含对本发明进一步有利的改良。
根据本发明用于加湿内燃发动机的进气的方法的不同之处在于：确定进气的湿度并且根据进气的湿度向进气中喷洒液体。创造性地根据进气的湿度向进气中喷洒液体通过考虑改变环境空气湿度有效地减少了氮氧化物排放。优选地，可使用水作为该液体。
此外，内燃发动机的排气的至少一部分能够被加入到进气中。在这种情况下，液体可根据加入的排气量和/或加入的排气的湿度将液体喷洒到进气中。有效降低氮氧化物还通过考虑改变环境条件，特别是改变加入的排气的湿度来实现。内燃发动机的排气的至少一部分能够有利地被加入到进气中，并且在加入排气之后，液体被喷洒到进气中。以此方式，可根据进气和加入的排气的比例来确定需要的液体量。
优选地，针对每千克进气最大为25克的液体可被喷洒到进气中。在排气再循环情况下，优选地针对每千克包括进气和加入的排气的混合物最大为25克的液体可被喷洒到包括进气和加入的排气的混合物中。特别地，针对每千克进气最大为15克的液体可被喷射到进气中，或者针对每千克包括进气和加入的排气的混合物最大为15克的液体可被喷洒到包括进气和加入的排气的混合物中。如果针对每千克进气最大为8克的液体能够被喷洒到进气中或者针对每千克包括进气和加入的排气的混合物最大为8克的液体能够被喷洒到包括进气和加入的排气的混合物中，则已经实现预见的效果。由于输送大量液体带来氮氧化物的相对小的降低，有利的是在向上方向上限制喷洒湿度的量(参见下面的图1)。
基本上有利的是以这样一种方式选择有待喷洒的液体量：进气或包括进气和加入的排气的混合物在喷洒液体之后具有在13g/kg和25g/kg之间的湿度水平，特别是在15g/kg和20g/kg之间，有利地为16g/kg。
还可根据内燃发动机的运行状态来喷洒液体，特别是根据运行速度和/或转速和/或扭矩来喷洒液体。内燃发动机可被配置为例如柴油发动机。
用于加湿内燃发动机进气的发明性装置包括用于将液体喷洒到进气中的喷嘴。该装置还包括用于确定进气的湿度的传感器。根据本发明的装置可用来实施特别是根据本发明的方法。
根据本发明的装置能够额外地包括根据进气的湿度控制喷洒液体量的器件。此外，内燃发动机能够包括进气输送管路和排气再循环管路。在这种情况下，排气再循环管路能够展开进入进气输送管路。用于喷洒液体的喷嘴在此能够在进气流动方向上被设置在排气再循环管路的下游。以此方式，液体能够被喷射到包括进气和再循环排气的混合物中。
此外，根据本发明的装置可包括排气再循环器件和根据加入的排气量和/或根据加入的排气的湿度控制有待喷洒的液体量的器件。此外，根据本发明的装置可包括根据内燃发动机运行状态控制有待喷洒的液体量的器件。特别地，所述装置可包括根据内燃发动机的运行速度或转速和/或扭矩控制有待喷洒的液体量的器件。基本地，用于控制有待喷洒的液体量的特定器件可以是根据加入的排气量和/或加入的排气的湿度和进气的湿度，以及根据内燃发动机的运行状态控制有待喷洒的液体量的器件。以此方式，可实现进气或包括进气和加入的排气的混合物的恒定湿度水平并且可以通过有目的的方式影响并降低氮氧化物的排放。
根据本发明的内燃发动机包括上述用于加湿进气的装置。根据本发明的内燃发动机可被配置为例如柴油发动机。所述装置基本上具有与所述用于加湿进气的发明性装置相同的优势。
根据本发明的方法、根据本发明的装置和根据本发明的内燃发动机都使得排气后处理系统在氮氧化物排放方面大大过剩或至少显著降低所述排放。
本发明的进一步特性、特征和优势将通过示例性实施例并参考附图在以下通过更多细节进行说明。所描述的特征单独地以及彼此组合在此都是有利的。
附图说明
图1是氮氧化物排放随进气湿度变化的示例，
图2是实施根据本发明的内燃发动机的功能方法的示意图，
图3是用于控制有待喷洒的液体量的器件的功能方法的示意图。
附图标记
1    随进气湿度变化的氮氧化物排放
2    大约20％的差值
3    环境空气
4    空气过滤器
5    压缩机
6    冷却器
7    阀门
8    进气输送管路
9    流动方向
10   空气质量流速计
11   液体喷嘴
12   发动机
13   进气管
14   排气管
15   涡轮机
16   包括空气和排气的混合物的流动方向
17   排气流动方向
18   排气流动方向
19   排气再循环系统
20   排气再循环管路
21   阀门
22   冷却器
23   空气和排气的混合物
24   速度
25   扭矩
26   确定湿度设定值的装置
27   湿度设定值
28   再循环排气量
29   湿度传感器
30   湿度实际值
31   PT1元件
32   求差元件
33   湿度设定值和实际值之间的差值
34   PT1元件
35   湿度设定值和实际值之间的过滤差值
36   求积
37   空气质量流速
38   有待输送的液体量的设定值
39   考虑饱和因素
40   有待喷洒的液体量
具体实施方式
在下文中，将参考图1至图3更详细地解释本发明的示例性实施例。图1显示氮氧化物排放随进气湿度的变化。在图1所示的图表中，使用的进气湿度在X轴上以克每千克(g/kg)为单位进行绘制。排放的氮氧化物(NOx)的量在Y轴上以克每小时(g/h)为单位进行绘制。给出的测量曲线1是在使用的内燃发动机(特别是所使用的发动机装置)的特定速度和特定负载下被测量的。
测量曲线1显示在8g/kg的湿度水平下大致100g/h的氮氧化物排放能够通过使湿度加倍到16g/kg而被降低到80g/h。这对应于降低大约20％的氮氧化物排放。氮氧化物的降低由箭头2指示。
在测试条件下，进气的湿度在发动机运行期间被保持恒定，例如大致为8g/kg。从图1中可以看出使湿度加倍到16g/kg已经可带来氮氧化物排放的显著降低。相比之下，进一步增加湿度将降低氮氧化物排放至更小的程度。特别地，氮氧化物排放不能与进气湿度的升高成比例的降低。例如，假定湿度水平为40g/kg，则氮氧化物排放将仍然为大约55g/kg。这意味着当进气湿度水平升高为给定湿度水平8g/kg的五倍时，其氮氧化物排放相对于给定湿度水平8g/kg下大约100g/h的氮氧化物排放来说仅降低大约45％。
图2是根据本发明的内燃发动机的功能方法的示意图。该内燃发动机包括带有进气管13和排气管14的发动机12。穿过进气管13被输送进入发动机12的空气首先以环境空气3的形式穿过进气输送管路8被输送至空气过滤器4。使用空气质量流速计10确定被吸入的环境空气的质量流速。此外，使用湿度传感器29确定吸入的环境空气的湿度水平。
然后，吸入的环境空气使用压缩机5压缩，随后使用冷却器6冷却并且经阀门7被输送至发动机12的进气管13。穿过进气输送管路8并通向进气管13的环境空气流动方向由箭头9指示。
根据本发明的内燃发动机还包括排气再循环系统19。排气再循环系统19包括排气再循环管路20，该排气再循环管路将发动机12的排气管14联接至发动机12的进气管13。在这种情况下，排气再循环管路20在流动方向上展开进入阀门7下游的进气输送管路8中。排气再循环管路20包括阀门21和冷却器22。离开发动机12的排气管14的一部分排气在流动方向18上经阀门21和冷却器22穿过排气再循环管路20被引导进入进气输送管路8。进气和再循环排气在区域23中混合，在区域23中排气再循环管路20展开进入进气输送管路8中。
用于将液体(例如水)喷洒到包括进气和再循环排气的混合物中的液体喷嘴11在流动方向上被设置在排气再循环管路20展开进入进气输送管路8的位置处的下游。然后，包括空气和排气的加湿混合物在流动方向16上流动穿过发动机12的进气管13。随后穿过排气管14离开发动机12的排气主要在流动方向17上流到涡轮机15并且驱动涡轮机15。上面已经描述的一部分排气穿过排气再循环管路20再次被输送至发动机12的燃烧过程中。
图3是用于控制有待喷洒的液体量并被联接至液体喷嘴11的器件的功能方法的示意图。用于控制有待喷洒的液体量的器件包括用于确定湿度设定值的装置26。发动机12的对应速度24和对应扭矩25被输送至确定湿度设定值的装置26中。然后，根据这些值确定湿度设定值27。
吸入的环境空气3的湿度使用湿度传感器29确定。此外，确定经排气再循环系统19再循环的排气量28。使用PT1元件31根据再循环排气量和进气湿度来确定实际湿度值30。然后，使用求差元件32形成湿度设定值27和湿度实际值30之间的差值。随后使用PT1元件34过滤由此方式确定的湿度设定值27和实际值30之间的差值33。
由求积元件36根据湿度设定值27和实际值30之间的过滤差值35以及空气质量流速37来确定被输送的液体量的设定值38，其中空气质量流速37是使用空气质量流速计10确定的。根据以此方式确定的有待输送的液体量38的设定值，实际有待喷洒的液体量40在最后一步考虑饱和因素39而被确定。然后使用液体喷嘴11将实际有待喷洒的液体量喷洒到包括进气和再循环排气的混合物中。
例如，可将针对每千克包括进气和加入的排气的混合物最大为25克的液体(有利地最大为15克的液体并且优选最大为8克的液体)喷洒到包括进气和加入的排气的混合物中。基本上，喷洒湿度的量应该在向上方向上被限制，因为供给大量液体带来氮氧化物相对小的降低(见图1)。特别地，可以选择有待喷洒的液体(例如，水)量，以使得包括进气和加入的排气的混合物在喷洒液体之后具有在13g/kg和25g/kg之间的湿度，特别是在15g/kg和20g/kg之间的湿度，优选地为16g/kg。
总之，本发明能够被用于有效补偿环境空气中的湿度波动。同时，通过考虑内燃发动机的运行状态和例如发动机的排气再循环而额外加湿进气，氮氧化物的排放被降低至恒定的低水平。本发明特别具有能够通过最小的花费而实现氮氧化物多于10％的降低。

Claims (13)

1.一种用于加湿内燃发动机(12)的进气的方法，其中，
确定所述进气(3)的湿度；
根据所述进气的湿度，将液体喷洒到所述进气(3)中；以及
所述内燃发动机(12)的排气的至少一部分被加入到所述进气(3)中，并且根据所加入的排气量和/或所加入的排气的湿度将所述液体喷洒到所述进气(3)中。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述液体为水。
3.如权利要求1至2中任一项所述的方法，其中，所述内燃发动机(12)的排气的至少一部分被加入到所述进气(3)中，并且在加入所述排气之后将所述液体喷洒到所述进气中。
4.如权利要求1至2中任一项所述的方法，其中，针对每千克进气(3)最大为25g的液体被喷洒到所述进气(3)中，或者针对每千克包括进气(3)和加入的排气的混合物最大为25g的液体被喷洒到包括进气(3)和加入的排气的该混合物中。
5.如权利要求4所述的方法，其中，针对每千克进气(3)最大为15g的液体被喷洒进入所述进气(3)中，或者针对每千克包括进气(3)和加入的排气的混合物最大为15g的液体被喷洒到包括进气(3)和加入的排气的该混合物中。
6.如权利要求5所述的方法，其中，针对每千克进气(3)最大为8g的液体被喷洒到所述进气(3)中，或者针对每千克包括进气(3)和加入的排气的混合物最大为8g的液体被喷洒到包括进气(3)和加入的排气的该混合物中。
7.如权利要求1所述的方法，其中，选择有待喷洒的液体量，以使得所述进气(3)或包括进气(3)和加入的排气的混合物在喷洒所述液体之后具有在13g/kg和25g/kg之间的湿度水平。
8.如权利要求1所述的方法，其中，根据所述内燃发动机(12)的运行状态喷洒所述液体。
9.一种加湿内燃发动机(12)的进气(3)的装置，包括将液体喷洒到所述进气(3)中的喷嘴(11)，其中，
所述装置包括用于确定所述进气(3)的湿度的传感器(29)；
所述装置包括根据所述进气(3)的所述湿度控制有待喷洒的液体量的器件；以及
所述装置包括排气再循环器件(19)和根据所加入的排气量和/或所加入的排气的湿度控制有待喷洒的液体量的器件。
10.如权利要求9所述的装置，其中，所述内燃发动机(12)包括进气输送管路(8)和排气再循环管路(20)，其中所述排气再循环管路(20)连接到所述进气输送管路(8)，并且喷洒液体的所述喷嘴(11)在所述进气(3)的流动方向(9)上被设置在所述排气再循环管路(20)的下游。
11.如权利要求9至10中任一项所述的装置，还包括根据所述内燃发动机(12)的运行状态控制有待喷洒的液体量的器件。
12.一种内燃发动机(12)，其中所述内燃发动机(12)包括如权利要求9至11中任一项所述的装置。
13.如权利要求12所述的内燃发动机(12)，其中，所述内燃发动机(12)被配置为柴油发动机。
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