CN103080507A - 用于减少内燃机的排放的方法以及内燃机 - Google Patents

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Abstract

一种用于减少内燃机（10）的排放的方法，所述内燃机（10）包括至少一个汽缸（1）、布置在所述汽缸（1）内的往复式活塞（2）、进气通道（3）、排气通道（4）、至少一个进气阀（5）以及至少一个排气阀（6）。所述进气阀（5）在所述活塞（2）到达下死点之前在进气冲程期间被关闭。在关闭所述进气阀（5）之后，所述排气阀（6）被重新打开，用于使排气流入所述汽缸（1）。在关闭所述排气阀（6）之前，将水注入所述排气通道（4）。本发明还涉及一种内燃机（10）。

Description

用于减少内燃机的排放的方法以及内燃机
技术领域
本发明涉及一种用于减少内燃机的排放的方法，如权利要求1的前序部分所限定的，该内燃机包括至少一个汽缸以及布置在该汽缸内的往复式活塞。本发明还涉及一种内燃机，如权利要求11的前序部分所限定的，该内燃机包括至少一个汽缸以及布置在该汽缸内的往复式活塞。
背景技术
由于对于内燃机的有害氮氧化物（NOX）、一氧化碳（CO）、挥发性烃（HC）、颗粒物质（PM）以及其他排放物排放标准设定越来越严格的要求，内燃机制造商必须找到满足该要求的新的方法。同时，内燃机的燃料效率应该被提高以使二氧化碳（CO2）排放减速并且确保内燃机的经济操作。
通常，NOX排放可通过减小燃烧室中的温度来减小。这样做的一个方法就是应用所谓的利用改进的进气关闭过程的米勒循环。存在两种米勒循环的变型：在第一变型中，进气阀仅在下死点之后被关闭，这意味着压缩冲程的一部分不用于压缩。这常常用于火花点燃式内燃机以获得更高的热效率和较低的爆震倾向。在米勒循环的另一变型中，利用进气阀的提早关闭。当进气阀在活塞到达下死点之前被关闭时，汽缸中的压力和温度将在压缩冲程的末端较低。米勒循环的该变型常常用于压缩点火式内燃机。由于进气阀的提早关闭造成的汽缸中的较小空气量通常由足够的增压比来补偿。
减少内燃机的NOX排放的另一方法是使用排气再循环（EGR），其中排气的一部分被引导回到汽缸。因为再循环的排气的热容高于空气的热容，因此由燃烧释放的相同的能量导致利用EGR的内燃机中的低温升高。而且汽缸内的低氧质量和燃烧速度的减慢有助于实现低温升高。EGR系统能是内部的或外部的。在外部EGR系统中排气从排气歧管被再循环到进气汽缸，然而在内部EGR系统中排气被捕获在汽缸内，或利用从排气歧管到燃烧室中的回流。EGR系统的效果可通过冷却再循环排气被改善。外部EGR系统的缺点在于在将排气引回到汽缸中之前必须从其去除杂质。尤其是当利用重燃油（HFO）时情况是这样的。如果杂质不从再循环排气被去除，则再循环可能导致对中间冷却器、涡轮增压器和内燃机的其它部件的损坏。另一方面，排气杂质使得EGR系统更复杂。
日本专利申请JP11223137A公开了一种用于米勒循环内燃机的进气和排气阀控制器。该发明的目的在于通过在吸入阀关闭之后进气冲程期间暂时打开用于内部EGR的排气阀来减少NOx排放，并且在燃烧室中存在低压。与外部EGR相比，这种内部EGR的缺点在于不能冷却再循环排气，并且因此不能实现最佳可能NOx减少效果。
减少NOx排放的又另一方法是注水。水可被直接注入燃烧室或进气歧管以降低燃烧室中的温度并因此减少NOx排放。日本专利申请JP9144606A公开了一种内燃机，其中NOx排放通过外部EGR并且直接将水注入燃烧室而减少。直接注水的缺点在于其干扰燃烧并因此导致差的燃料经济。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能有效减少内燃机的NOx排放的方法。本发明的另一目的在于提供一种具有非常低的NOx排放和良好燃料效率的内燃机。根据本发明的方法的表征特征在权利要求1的特征部分中给出。根据本发明的内燃机的表征特征在权利要求11的特征部分给出。
根据本发明，在用于减少内燃机的排放的方法中，其中该内燃机包括至少一个汽缸、布置在所述汽缸内的往复式活塞、被连接至所述汽缸以用于将进气引入该汽缸的进气通道、被连接至所述汽缸以用于将排气引出该汽缸的排气通道、用于打开和关闭所述进气通道和所述汽缸之间的连接的至少一个进气阀以及用于打开和关闭所述排气通道和所述汽缸之间的连接的至少一个排气阀，所述进气阀在所述活塞在进气冲程期间到达下死点之前在第一预定曲柄角下被关闭，以减小所述汽缸中的压力。在关闭所述进气阀之后，所述排气阀在第二预定曲柄角下被重新打开以使排气从所述排气通道流入所述汽缸。在所述排气阀被关闭以防止排气流入所述汽缸之前，将水注入所述排气通道。
当内部EGR与米勒循环和水注入排气通道相结合时，获得了非常低的NOx排放和良好的燃料效率。米勒循环的使用降低了峰值汽缸温度，而再循环排气有助于在整个循环期间保持温度较低。所注入的水在汽缸中蒸发并且还降低温度。因为被注入到排气通道中，水与进气和排气良好混合并且不会干扰燃烧。甚至能在没有选择性催化还原的情况下实现针对NOx排放的IMO Tier III（国际海事组织三级）要求。所注入的水还有助于保持排气阀清洁。与具有外部EGR的系统相比，该方法不太复杂并且避免了排气中的杂质问题。该方法甚至能应用于以HFO运转的内燃机。
根据本发明的内燃机包括至少一个汽缸、布置在所述汽缸中的往复式活塞、被连接至所述汽缸以用于将进气引入该汽缸的进气通道、被连接至所述汽缸以用于将排气引出该汽缸的排气通道、用于打开和关闭所述进气通道和所述汽缸之间的连接的至少一个进气阀、用于打开和关闭所述排气通道和所述汽缸之间的连接的至少一个排气阀，以及用于打开和关闭所述进气阀和所述排气阀的装置。所述进气阀设置成在所述活塞在进气冲程期间到达下死点之前在第一预定曲柄角下被关闭，并且所述排气阀设置成在所述进气阀已被关闭之后在第二预定曲柄角下被重新打开以使排气从所述排气通道流入所述汽缸。所述内燃机包括用于将水注入所述排气通道装置的装置。
根据本发明的实施方式，在用于减少内燃机的排放的方法中，注水在重新打开排气阀之前开始。在提早将水注入到排气通道中的情况下，水在排气阀被重新打开以进行EGR时至少部分地与排气混合，并且因此实现了更好的混合。
根据本发明的实施方式，注水在下死点之前170-10度曲柄角下开始。开始角可根据内燃机的负载和转速而变化。在较高负载下，较早的注水可用来实现汽缸中足够的水量。
根据本发明的实施方式，注水的持续期间是10-170度曲柄角。根据本发明的另一实施方式，注水的持续期间是15-60度曲柄角。注水的持续期间可根据内燃机的负载和转速而变化。如果内燃机转速和/或负载高，则可使用较长的注水持续期间以实现汽缸中足够的水量。
根据本发明的实施方式，所注入的水与燃料的质量比是0.7-2.0。内燃机负载越高，可注入汽缸的水量越大。
本发明的其它实施方式的表征特征在从属权利要求中给出。
附图说明
图1A至1D示意地示出根据本发明的内燃机的排气和进气冲程的一部分。
图2示意地示出具有二级涡轮增压的内燃机。
具体实施方式
现在参照附图更详细地描述本发明的一些实施方式。
图1示意地示出内燃机10的一部分，该内燃机包括汽缸1、布置在汽缸1内的往复式活塞2、进气通道3、排气通道4、进气阀5、排气阀6和注水喷嘴7。进气通过进气通道3被引入汽缸1，该进气通道以常规方式与汽缸1连接。进气通道3可部分地位于汽缸盖内，并且进气通道的一部分可由单独的管道形成。排气通过与汽缸1连接的排气通道4被引出汽缸1。排气通道4可部分地位于汽缸盖内，并且排气通道的一部分可由单独的管道形成。
内燃机10还包括用于打开和关闭进气阀5和排气阀6的装置8、9。用于打开和关闭阀的装置8、9可例如是液压致动器或电致动器，该致动器能直接或经由杠杆机构或一些其它装置移动气体交换阀5、6。仅示出一个汽缸1，但是很显然内燃机10可包括任何合理数量的汽缸1，这些汽缸能成行、呈V形构造或呈一些其它构造布置。而且，气体交换阀5、6的数量可以是不同的。例如，一个汽缸1中可存在两个进气阀5和两个排气阀6。内燃机10优选地是四冲程内燃机，但是它也可以利用六冲程循环。本发明优选与增压压缩点火式内燃机一起使用，但是它也可以用于自然吸气内燃机和/或火花点燃式内燃机。
图2中示出了这样一个实施方式，其中内燃机10包括四个汽缸1。内燃机10的进气借助低压涡轮增压器11和高压涡轮增压器12增压。涡轮增压系统还包括两个增压空气冷却器13、14。
图1A示出了几乎处于排气冲程末端的情况，其中活塞2接近上死点，并且排气阀6仍被打开，从而使排气流入排气通道4。而且进气阀5刚被打开以增强扫气。
图1B中，活塞2已经过上死点并且排气阀6刚被关闭，同时进气阀5被打开并且汽缸1开始填充新鲜空气。在这一阶段，汽缸1中的压力由于阀口的流阻而略低于进气通道3。
图1C示出了进气阀5如何在进气冲程期间在下死点之前被关闭。因为进气阀5和排气阀6两者都被关闭，并且活塞2仍朝着下死点向下移动，汽缸1中的压力开始下降。进气阀5的提早关闭意味着压缩比小于膨胀比，并且汽缸温度在压缩结束时被降低。关闭进气阀的最佳时机取决于数个因素，诸如内燃机构造、增压压力、内燃机载荷和速度等。进气阀5关闭得越早，汽缸温度和NOx排放减小得越多。然而，如果进气阀5的提早关闭不由较高的增压压力补偿的话，那么进气阀5的提早关闭还意味着较低的内燃机输出。关闭进气阀5的最晚可能时机取决于进气和排气压力。进气阀5必须被足够早地关闭以减小排气压力下的汽缸压力，使得排气能从排气通道4流入汽缸1。进气阀1通常在下死点之前在100-30度曲柄角下被关闭，但是或早或晚关闭也是可能的。
图1D中，活塞2接近下死点并且排气阀6已被打开。排气阀6被打开的曲柄角取决于许多不同因素。汽缸1中的压力在排气阀6被打开时应该低于排气通道4中的压力，否则排气不会流入汽缸1。排气阀打开的最佳时机取决于数个因素，诸如所希望的再循环排气的量、汽缸压力、排气压力和阀设计。保持排气阀6打开的曲柄角范围取决于类似的因素。通常，排气阀6在下死点之前在90-10度下被打开并且在10-90度曲柄角下保持打开。然而，在一些情况下，应该可以在下死点之后打开排气阀6。
当排气阀6被打开时，汽缸1中的压力必须低于排气通道4中的压力。由于排气通道4和汽缸1之间的压差，排气流入汽缸1。该再循环排气的热容高于空气，并且因此，一定量燃料的燃烧将导致比没有排气再循环的情况下小的温度升高。排气阀6即使在压缩冲程开始期间也可保持打开。如果进气阀5在进气冲程期间非常早地被关闭，例如在下死点之前在50-90度曲柄角下被关闭，则在活塞2已经过下死点之后，汽缸1中的压力将在相当长的时间内低于排气通道4中的压力。如果排气阀6保持打开，则排气因此能在压缩冲程开始时从排气通道流入汽缸1。
在排气阀6被再次关闭之前，水通过注水喷嘴7被注入排气通道4。喷嘴7沿排气的正常流向定位在排气阀6的下游。喷嘴7处于排气阀6附近并且指向汽缸1。图2中示出了用于存储水的箱15以及用于将水输送到喷嘴7的输送管16和泵17。注水可在排气阀6被打开之前开始。这允许使用更长的注入持续期间。注水的开始曲柄角取决于排气阀6被打开和关闭的曲柄角。而且，内燃机载荷和速度以及注水喷嘴7的类型也影响开始注入的最佳曲柄角以及注入水的曲柄角范围。如果注入喷嘴7的容量低，则需要较长的注入持续期间。高内燃机载荷还需要比低内燃机载荷长的注入持续时间。通常，注水在下死点之前170-10度下开始。水注入排气通道4中的曲柄角范围通常在10-170度，并且更合适地，在15-60度。所注入的水与燃料的质量比通常为0.7-2.0。注水不必在整个进气冲程期间进行，但是它可延长到压缩冲程开始时。在该情况下，排气阀6还必须在下死点保持打开。
所注入的水流和流入汽缸1的排气一起经过排气阀6并且与排气混合。随着水蒸发，它降低再循环排气的温度并且有助于保持汽缸温度较低。另外，所注入的水保持排气阀6清洁而不受碳积影响。因为水被注入排气通道4，并且不与燃料同时被直接注入进气通道3或汽缸1，因此水有效地与新鲜空气和再循环排气混合并且不会干扰燃烧。

Claims (13)

1.一种用于减少内燃机（10）的排放的方法，所述内燃机包括：
至少一个汽缸（1），
布置在所述汽缸（1）内的往复式活塞（2），
进气通道（3），所述进气通道被连接至所述汽缸（1），用于将进气引入该汽缸（1），
排气通道（4），所述排气通道被连接至所述汽缸（1），用于将排气引出该汽缸（1），
至少一个进气阀（5），所述进气阀用于打开和关闭所述进气通道（3）和所述汽缸（1）之间的连接，以及
至少一个排气阀（6），所述排气阀用于打开和关闭所述排气通道（4）和所述汽缸（1）之间的连接，
在所述方法中，
在所述活塞（2）在进气冲程期间到达下死点之前，所述进气阀（5）在第一预定曲柄角下被关闭，以降低所述汽缸（1）中的压力，并且
在关闭所述进气阀（5）之后，所述排气阀（6）在第二预定曲柄角下被重新打开，以使排气从所述排气通道（4）流入所述汽缸（1），
所述方法的特征在于，在所述排气阀（6）被关闭以防止排气流入所述汽缸（1）之前，将水注入所述排气通道（4）。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，注水在所述排气阀（6）被重新打开之前开始。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，注水在下死点之前170-10度曲柄角下开始。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其特征在于，注水的持续期间为10-170度曲柄角。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，注水的持续期间为15-60度。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所注入的水与燃料的质量比为0.7-2.0。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述排气阀（6）在20-90度曲柄角下保持打开。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述排气阀（6）在下死点之前90-10度下被重新打开。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述进气阀（5）在下死点之前100-30度下关闭。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述进气被增压。
11.一种内燃机（10），所述内燃机包括：
至少一个汽缸（1），
布置在所述汽缸（1）内的往复式活塞（2），
进气通道（3），所述进气通道被连接至所述汽缸（1），以将进气引入该汽缸（1），
排气通道（4），所述排气通道被连接至所述汽缸（1），用于将排气引出该汽缸（1），
至少一个进气阀（5），所述进气阀用于打开和关闭所述进气通道（3）和所述汽缸（1）之间的连接，
至少一个排气阀（6），所述排气阀用于打开和关闭所述排气通道（4）和所述汽缸（1）之间的连接，以及
用于打开和关闭所述进气阀（5）和所述排气阀（6）的装置（8、9），
所述进气阀（5）布置成在所述活塞（2）在进气冲程期间到达下死点之前在第一预定曲柄角下被关闭，并且所述排气阀（6）布置成在所述进气阀（5）已被关闭之后在第二预定曲柄角下被重新打开，以使排气从所述排气通道（4）流入所述汽缸（1），所述内燃机的特征在于，所述内燃机（10）包括用于将水注入所述排气通道（4）的装置。
12.根据权利要求11所述的内燃机（10），其特征在于，用于将水注入所述排气通道的所述装置包括喷嘴（7），所述喷嘴在所述排气阀（6）附近定位在该排气阀（6）的下游并且指向所述汽缸（1）。
13.根据权利要求11或12所述的内燃机（10），其特征在于，所述内燃机（10）包括用于使进气增压的装置（11、12）。
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