CN104937253B - 用于内燃机的内部冷却废气再循环系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种装配有废气再循环(EGR)系统和装置的内燃机，以用于在点火之前通过将雾化水喷射到再循环的废气中内部地冷却废气。雾化水喷雾可位于进口歧管中或者直接在气缸中。发动机可使用火花点火或压缩点火。内燃机以大于12:1的压缩比和贫空燃比进行操作。还提供了一种用于控制在发动机中再循环的废气的量且用于控制所添加的水量的方法。本发明的发动机具有更高的热力学效率以及有利的NOx排放。

Description

用于内燃机的内部冷却废气再循环系统及其方法
相关申请的交叉引证
本申请要求于2012年11月20日提交的美国临时专利申请第61/728,516号以及于2013年1月17日提交的美国临时专利申请第61/753,719号的优先权，这两个临时专利申请的内容通过引证结合于此。
技术领域
本发明总体上涉及内燃机。更具体地，本发明涉及具有废气再循环的内燃机。
背景技术
本发明涉及具有至少一个往复活塞的内燃机，该往复活塞与直接冷却废气再循环(EGR)一起操作。在本文中陈述的原理可用于通常以汽油(石油)、天然气或乙醇混合物操作的火花点火(SI)发动机中，或者可用于通常以柴油、生物柴油、JP-8或其他喷气燃料变体、煤油或重油操作的压缩点火(CI)发动机中。本发明适用于具有废气再循环的自然吸气的和强制吸气内燃机。本发明适用于直接燃料喷射发动机和端口燃料喷射发送机。
容易理解在内燃机中使用EGR，并且将其广泛地应用于商用产品中。再循环到汽油发动机的燃烧室中的废气替换气缸中一定量的可燃装料，并且在柴油发动机中，废气替换在预燃混合物中过量的氧气。可燃装料的替换造成较低的燃烧温度并且在减少NOx形成(其主要在氮气和氧气的混合物经受高于1371℃(1644°K)的温度时形成)的方面有效。再循环的废气替换进入的空气，并且通过加热降低装料密度。这种组合效应有助于减少泵送损失，从而尽管以较小的功率也使得发动机效率增大。因此，EGR是一种有效的方法，以用于在SI和CI发动机中减少氧化氮(“NOx”)排放并且提高奥托循环(Otto-cycle)发动机效率。
重新引回燃烧室中的废气降低了峰值燃烧温度。这种温度降低主要是因为返回的废气不参与燃烧，并因此，不传送任何燃烧能量。废气提供额外的热质量，并且允许燃烧能量分配给较高的总体热质量，其中，与不具有EGR的情况相比，在具有EGR的情况下的质量和热容的乘积(m*Cv)更大。由EGR再循环提供的温度下降降低了燃烧温度，并因此，有效地控制并减少NOx形成。EGR允许在具有任何规定的负荷下具有更大的歧管压力，以导致装料循环工作减少，从而降低了燃料消耗量。
存在将废气重新引回燃烧室中的两种方法。第一种方法是通过阀门定相或气门重叠的内部废气再循环(i-EGR)。气门重叠是一种早期打开进气阀以在排气冲程期间允许废气进入进气轨道中的状态，或者是一种稍后在排气冲程期间排放阀保持打开以允许废气进返回燃烧室中的状态。这通常通过以下方式实现：使用可变阀定时系统来改变凸轮轴定相，以根据发送机操作点调节气门状态，来优化EGR优点。在图1中示出了显示具有内部EGR的废气经由进气阀11流动的现有技术发动机的示意图，在排气冲程结束的早期打开该进气阀，以在活塞12的排气冲程期间允许废气14从燃烧室15进入进气轨道16中，并且在活塞12的进气冲程期间与进入燃烧室15的进气装料空气13混合。
参照图2，现有技术发动机的示意图示出了在内部EGR的情况下废气流经排放阀21。在活塞22的排气冲程之后，排放阀21保持打开，并且在活塞22的进气冲程期间允许排放轨道26中的废气23返回24燃烧室25。
废气再循环的第二种方法是经由位于燃烧室外面的废气回路，该燃烧室可包括或不包括对控制的EGR阀门(e-EGR)。根据发动机操作点而电子地激活EGR阀门，以将合适量的废气供给回新鲜进入的空气-燃料混合物中。图3示出了发动机的现有技术的示意图，其中，经由具有外部EGR冷却器34的外部回路提供EGR。在活塞32的排气冲程期间，从燃烧室33中排出废气31。通过管道、管线、通道或其他方式，将废弃31从排放轨道37中输送给外部热传递装置34，该外部热传递装置具有热交换器或类似实施方式的形式，以使废气冷却。在进气轨道38之前或者在进气轨道内，将冷却的废气35从热传递装置34输送到进气流36中。如上文所述，额外的EGR气体增大了混合进气装料的热质量。
这两种解决方案具有缺点。在e-EGR的情况下，在发动机管理系统的要求的EGR百分比与到达发动机入口的废气之间引入了时间延迟。这引起控制问题，这些问题造成较低的发动机效率。在i-EGR的情况下，改进了控制，但使非常高的气体温度再循环，造成体积效率的损失并且对在爆震开始之前可获得的EGR的量造成限制。在使用外部热交换器来冷却废气的冷却EGR上执行工业和学术工作，并且全部集中于外部EGR回路冷却，这是因为这是实现冷却EGR的最有效的且可行的方法。
通过冷却的EGR系统，可进一步改进EGR系统的减排潜力。冷却的EGR广泛地用于压缩点火式发动机中，其中，EGR系统一体形成到涡轮增压柴油机的高压排气和装料回路中。废气从气缸与废气涡轮机之间的主要废气流中再循环。废气穿过中冷器或热交换器(其使用二次外部冷却源)，来通过热交换器的形式的固态介质传输来自废气的热量。然后，将冷却的废气引入发动机的进入的空气回路中，引入压缩机与气缸之间的高压回路中，或者引入位于压缩机上游的低压回路中。
冷却的外部EGR系统可使用阀门来调节由发动机管理系统、排气管、废气冷却器以及进气管控制的再循环废气量。这些系统通过热交换器的形式使用外部冷却介质，以便在将废气引入到气缸腔体中之前，从热废气中提取热量。冷却的EGR系统将废气冷却器在轿车中暴露到高达大约450℃的极端温度中，并且在商用车辆应用中暴露到大约700℃的极端温度中。
发明内容
本发明提供了一种具有内部冷却再循环废气(EGR)的内燃机，其与注入到进气轨道(歧管)中的再循环的废气中或者以大于标准机械压缩比的机械压缩比直接注入到发动机的燃烧室中的水直接热连通，并且其具有极贫燃料混合物。这个设备和方法适于火花点火发动机和压缩点火式发动机两者。
在火花点火式发动机的情况下，压缩比大于12:1，并且在一实施方式中，压缩比可为13:1、15:1、16:1或更大。在点火之前，通过贫燃料混合物、EGR以及将水注入到EGR轨道、进气轨道中或者直接注入气缸中，能够提高压缩比。燃料混合物具有大于1的化学计量或λ。在一实施方式中，火花点火式发动机的λ具有从大约1.1到大约3的范围。在各种实施方式中，火花点火式发动机的λ大约为1.5、大约为1.75、大约为2.0或者大约为2.25。这种因数组合使预点火(发动机爆震)最小化，以允许本文中公开的内燃机以比在传统发动机中更大的压缩比操作。
在压缩点火式发动机的情况下，压缩比大于14:1且直到大约40:1。燃料混合物具有大于1到大约7的λ。在一实施方式中，燃料混合物可具有大约2.0、大约3.0、大约4.0或大约5.0的λ。
本发明的直接冷却式EGR系统提供一种水喷射系统，该系统对在EGR旁路中的EGR回路内部、或者在进气轨道中、或者直接在内燃机的燃烧室内的再循环的废气内部地进行冷却。本发明还消除了间接废气冷却部件，其通常包括EGR冷却系统，该EGR冷却系统包括多板块、多管道、板块或翅片热交换装置和部件。而且，通过雾化水直接冷却再循环的废气，使本发明消除了通过交换媒介进行热力学连通。
本发明的一个实施方式包括一种内燃机，具有：至少一个气缸，具有形成在一部分气缸上的燃烧室；进口歧管，具有至少一个进气阀，至少一个进气阀将气流提供到燃烧室中；排气歧管，具有至少一个排放阀，至少一个排放阀提供废气从燃烧室中流出；燃料处理系统，具有燃料喷射器，以用于将燃料引入燃烧室中，燃料处理系统提供空燃比的大于1且小于7.0，该空燃比为空气中的氧气与燃料的化学计量比(λ)；活塞，设置在至少一个气缸的每个中并且被构造为通过进气冲程、压缩冲程、动力冲程以及排气冲程往复运动，往复活塞被构造为提供大于12:1且小于40:1的机械压缩比；点火系统，用于在压缩冲程的结束时在燃烧室中点燃燃料；废气再循环装置，用于使废气从排气歧管再循环到燃烧室中；以及冷却装置，用于通过与注入废气中的预定量的雾化水直接接触来冷却再循环的废气。在通过预定量的雾化水进行冷却之前，再循环的废气的温度远低于离开至少一个排放阀的废气的温度。
本发明的另一个实施方式包括一种在装有废气再循环系统的内燃机中内部地冷却再循环的废气的方法，该内燃机包括：至少一个气缸，具有形成在一部分气缸上的燃烧室；进口歧管，具有至少一个进气阀，至少一个进气阀将气流提供到燃烧室中；排气歧管，具有至少一个排放阀，至少一个排放阀提供废气从燃烧室中流出；燃料处理系统，具有燃料喷射器；以及点火系统。该方法通过空燃比将燃料引入燃烧室中，该空燃比大于1，该空燃比为空气中的氧气与燃料的化学计量比(λ)；通过进气冲程、压缩冲程、动力冲程以及排气冲程使气缸中的活塞往复运动，活塞的往复提供大于13:1的机械压缩比；在压缩冲程结束时，在燃烧室中点燃燃料；在一部分进气冲程期间，使废气从排气歧管再循环到燃烧室中；并且通过与注入废气中的预定量的雾化水直接接触来冷却再循环的废气。在通过预定量的雾化水进行冷却之前，再循环的废气的温度远低于离开所述至少一个排放阀的废气的温度。
附图说明
图1是示出了具有内部EGR的废气通过进气阀流动的现有技术发动机的截面的示意图；
图2是示出了具有内部EGR的废气通过排放阀流动的现有技术发动机的截面的示意图；
图3是示出了具有内部EGR的废气通过具有EGR冷却器的外部回路流动的现有技术发动机的截面的示意图；
图4是具有直接燃料喷射的自然吸气内燃机以及发动机系统的示意图，该发动机系统示出了在通过水喷射器将EGR冷却直接引入到燃烧室中的情况下的经由进气阀或排放阀的内部EGR；
图5是具有直接燃料喷射的自然吸气内燃机以及发动机系统的示意图，该发动机系统示出了在通过水喷射器将EGR冷却引入到燃烧室中的情况下，废气经过外部EGR环路的流动；
图6是具有端口燃料喷射的自然吸气内燃机以及发动机系统的示意图，该发动机系统示出了在通过水喷射器将EGR冷却引入到燃烧室中的情况下，废气经过外部EGR环路的流动；
图7是具有端口燃料喷射的自然吸气内燃机以及发动机系统的示意图，该发动机系统示出了在通过水喷射器将EGR冷却引到进气轨道中的情况下，废气经过外部EGR环路的流动；
图8是具有直接燃料喷射的涡轮增压内燃机以及发动机系统的示意图，该发动机系统示出了在通过水喷射器将EGR冷却引入到燃烧室中的情况下，废气在高压和低压下经过外部EGR环路的流动；
图9是具有端口燃料喷射的涡轮增压内燃机以及发动机系统的示意图，该发动机系统示出了在通过水喷射器将EGR冷却引入到燃烧室中的情况下，废气在高压和低压下经过外部EGR环路的流动；
图10是由本发明的一个实施方式执行的控制工艺的流程图。
具体实施方式
本发明提供一种四冲程火花点火或压缩点火(柴油)内燃机，与传统发动机相比，该内燃机通过使用贫燃料混合物、高压缩比、更高的操作温度、废气再循环(EGR)以及在EGR路径、进口歧管或气缸中喷水而以更高的热力学效率进行操纵。
在本发明的背景下，术语“进气轨道”表示在环境(即，进气口)与燃烧室之间的新鲜空气路径的任何部分。因此，进气轨道包括进气口、空气入口、任何新鲜空气管道以及进口歧管。在本发明的背景下，术语“排放轨道”表示废气路径的任何部分，其包括(例如)气缸出口、排气歧管、任何废气管道以及连接件，并且其可包括消声器和排气管，以将烟雾排放到环境中。术语“EGR轨道”表示废气再循环系统的在将一部分废气转移到EGR系统的排放轨道中的分流器与任何管道、阀门、连接件或对再循环的废气的路径进行限定的EGR系统的其他部分之间的任何部分，直到将EGR气体被引入进气轨道中。
在本文中使用的术语“λ”表示空气中的氧气与燃料的化学计量比。化学计量空气和燃料表示在碳氢燃料中的每摩尔碳具有1摩尔氧气(在空气中)并且在燃料中的每2摩尔氢气具有1摩尔氧气。这个化学计量法转化成用于汽油的大约14.7:1的重量比(w/w，空气：汽油)。越高的λ值表示越贫的混合物或者越多的每单位燃料的空气。因此，λ大于1表示大于14.7:1w/w的比率(用于汽油)。不同的燃料类型需要不同的化学计量法。例如，用于甲醇的化学计量空燃比大约为6.5:1，用于乙醇的化学计量空燃比大约为9.0:1，用于柴油的化学计量空燃比为14.4:1，用于天然气的化学计量空燃比为16.6:1，并且用于甲烷的化学计量空燃比为17.2:1。
装有废气再循环的传统内燃机提供热交换器，例如，在废气的再循环路径中的散热器，以便在将废气重新引入燃烧室中之前对废气进行冷却。相反，在本文中公开的本发明的发动机根本不需要热交换器，从而使到环境中的热量损耗最小化。通过贫燃料混合物、EGR以及喷水，将本发明的内部温度控制和发动机冷却提供到进口歧管中或者将其直接提供到发动机的气缸中。因此，示出本发明的发动机以高达50％热力学效率操作。
在火花点火式发动机中使用高辛烷值燃料时，传统的奥托循环发动机限于不大于12:1的压缩比，并且在压缩点火式发动机中，限于不大于23:1的压缩比。例如，比上述压缩比更大的压缩比通常被理解为通过引起燃烧室中的燃料的过早爆震而造成发动机损坏，并且受到过多的热损耗。然而，在气缸压力可被适当地控制时，高压缩有益于增大将燃料燃烧转化成机械能的效率。
通常，EGR冷却被视为期望地使泵送损失最小化、控制发动机温度并且使NOx产量最小化。在本发明的一个实施方式中，EGR气体被内部冷却，而无需外部热交换器(EGR冷却器)。本发明的方法允许使用远远更大量的EGR，而不造成爆震限制损失、不降低装料密度并且不损失体积效率。虽然本发明可与EGR再循环的任何方法一起使用，并且用于涡轮增压发动机和非涡轮增压发动机两者以及端口燃料喷射发动机和直接燃料喷射发动机，但其在内部EGR回路上最有效。
通常，一般使用外部EGR冷却。本发明的发动机被设计为以比传统发动机更高的内部温度运行，由贫燃料混合物、EGR系统以及EGR通过水的内部冷却使其成为可能。水从液体到蒸汽的相变消耗存在于再循环废气中的热能，从而将再循环的废气的温度降低为比在引入之前再循环的废气的温度更低的温度。
因此，通过将雾化水直喷到再循环的废气中的方式，在沿着EGR轨道和进气轨道的一个或多个位置处发生再循环废气的冷却。因此，在将废气引入进气轨道之后对废气进行冷却的情况下，例如，再循环废气仅在进气轨道中冷却之前与在排气歧管处具有基本上相同的温度。
在一个实施方式中，本发明的EGR包括：蓄水池；水处理系统，该水处理系统包括管线或管以及刚性分布轨道；一个或多个水喷射器；以及计算机控制系统，该计算机控制系统响应于发动机负荷、速度以及当前EGR条件而使用参考表来喷射不同量的水。
可在进气端口处将水注入到发动机中(端口喷射)或者直接将其注入到燃烧室中(直喷)。直喷是优选的实施方式，这是因为与端口喷射相比，直喷允许更准确且精确地控制喷水时间和位置。
这个系统可与使用EGR的任何内燃机一起使用；用于二冲程或四冲程，并且由汽油、柴油、乙醇、甲醇、氢气、天然气或其混合提供燃料，并且与火花或压缩点火式发动机一起使用。在本文中讨论的实例实施方式是使用火花或压缩点燃的四冲程发动机。然而，根据在本文中提供的公开，普通技术人员容易理解将本发明应用于对二冲程发动机以及其他形式的往复式内燃机中进行所需的替换和修改。
在一个实施方式中，提供了一种内燃机，该内燃机通过内部冷却的废气再循环在碳氢燃料上操作，该内燃机具有：至少一个气缸以及位于其中的往复活塞；位于气缸中的燃烧室；具有至少一个进气阀的进口歧管；具有至少一个排放阀的排气歧管；具有燃料喷射器的燃料处理系统；以及点火系统；其中，发动机具有大于12:1且小于40:1的机械压缩比，并且以大于1且小于7.0的空燃比λ操作；其中，发动机具有用于使废气内部地或外部地再循环的装置；其中，通过与注入废气中的预定量的雾化水直接接触，发动机内部地冷却再循环的废气，而不使用使再循环的废气变冷的混合介质热交换器。
贫燃料混合物是期望的，以便减少由在发动机以稳定速度操作时必须通过部分关闭的节流阀操作发动机所造成的节流损失。然而，贫燃料混合物可在λ大于1的特定范围内更猛烈地燃烧，这可在λ大于1时造成更大的NOx排放。使用贫混合物操作内燃机，可造成超过2500°F的燃烧室温度。除了增大NOx产量以外，在燃烧室中的过高的温度还可造成燃料过早爆震(爆震)以及发动机的各种元件弯曲。
在一个实施方式中，提供了一种操作内燃机的方法，其中，发动机通过内部冷却废气再循环使用碳氢燃料，该发动机具有：至少一个气缸以及位于其中的往复活塞；位于气缸中的燃烧室；具有至少一个进气阀的进口歧管；具有至少一个排放阀的排气歧管；具有燃料喷射器的燃料处理系统；以及点火系统。发动机具有大于12:1且小于40:1的机械压缩比，并且以大于1且小于7.0的空燃比λ操作。此外，发动机具有用于使废气内部地或外部地再循环的装置，并且通过与注入废气中的预定量的雾化水直接接触，而内部地冷却再循环废气，而不使用使再循环废气变冷的混合介质热交换器。在另一个实施方式中，提供了一种对内燃机中的EGR气体进行冷却的方法。
本发明的发动机的最佳λ取决于点火类型。对于使用汽油、汽油混合物(例如，具有乙醇)或天然气(主要是甲烷)运转的火花点火式发动机，λ在大于1到最大值约为3.0的范围内。在可替换的实施方式中，在根据本发明的火花点火式发动机中，λ的范围从大约1.2到大约2.8、或从大约1.2到大约2.3、或从大约1.5到大约2.0、或大约是1.5、或大约是1.75、或大约是2.0。对于压缩点火式发动机(柴油)而言，λ在大于1到最大值约为7.0的范围内。在可替换的实施方式中，在本发明的发动机中，λ的范围从大约1.4到大约6.0、或从大约1.5到大约5.0、或从大约2.0到大约4.0、或大约是1.5、或大约是2.0、或大约是2.5、或大约是3.0、或大约是3.5、或大约是4.0。
本发明的最佳压缩比取决于点火类型。对于使用汽油、汽油混合物、或天然气运转的火花点火式发动机而言，传统的发动机具有10:1的典型压缩比，在最大压缩比大约是12:1的情况下使用更高的辛烷值燃料。需要这些压缩比进行限制，以便对以更高的压缩比发生的发动机爆震进行控制。通过使用比传统的发动机更高的压缩比，根据奥托循环，本发明的发动机具有优越的热力学效率的优点，其中，热力学效率是压缩比的函数。
在火花点火模式中的本发明的发动机的压缩比在大于12:1到大约20:1的范围内。在可替换的实施方式中，压缩比是13:1到大约18:1、或大约14:1到16:1、或大约14:1、或大约15:1、或大约16:1或大约18:1。对于压缩点火式发动机而言，压缩比从大约14:1到大约40:1。在可替换的实施方式中，压缩比在大约14:1到大约30:1、或大约15:1到大约25:1、或大约16:1到大约20:1的范围内，或者大约为16:1、或者大约为17:1、或者大约为18:1、或者大约为19:1、或者大约为20:1、或者大约为21:1、或者大约为22:1。
如上所述，使用火花点火的内燃机通常限于不大于12:1的压缩比，以便避免过早爆震。因此，与在本发明中一样，考虑到内燃机的一般知识，使用大于12:1的压缩比不太明显。本发明避免了使用内部冷却的EGR造成的与高于12:1的压缩比相关的风险。
众所周知EGR向内燃机提供的且通常使用的几个优点。然而，EGR的缺点是在燃烧室内加入了过多的热量，这往往增加了过早点火(爆震)，并且可增加NOx排放，这取决于燃烧温度。因此，雾化水被直喷到在本发明的发动机中的EGR轨道或进气轨道中，以将再引入的废气冷却至控制温度。
由于水冷EGR降低在燃烧室内的温度，所以可使用明显更贫的燃料混合物，而不产生更高的NOx排放或爆震。更贫的燃料是能够在本发明中具有高压缩比的第二特征。
注入的水量是燃料流和所使用的EGR量的函数。通常从空气质量流传感器或歧管压力传感器中确定在现代化发动机中的燃料流，这将数据提供给发动机控制计算机，该计算机确定向燃料喷射器供给的燃料的量。分流回到发动机中的EGR气体的量还由发动机控制计算机控制。在外部EGR的情况下，EGR的量由EGR阀门控制。在内部EGR实施方式中，阀门时间由可变阀门时间独立地控制，例如，通过凸轮定相。其他倍增器通常使用发动机控制计算机来控制燃料流量，并且EGR包括发动机负荷、进入的空气温度、排氧传感器以及发动机rpm。在本发明的发动机中，计算机使用相同的参数来确定水流。
注入的水量可表示为在点火之前注入到气缸中的EGR气体的重量百分比。在一个实施方式中，注入的水量是再循环的废气(EGR)的重量百分比(w/w)的大约10％到大约125％。在一个实施方式中，注入的水量是EGR w/w的大约10％到大约100％、或EGR w/w的大约25％到大约100％、或EGR w/w的大约20％到大约100％、或EGR w/w的大约75％到大约125％、或大约25％w/w、或大约50％w/w、或大约75％w/w、或大约100％w/w。
与现有技术的水喷射器实施方式相比，在本发明的发动机内注入的水量可减少，而不在点火期间减少气缸中的水或水蒸气的量，这是因为由于水是碳氢燃料的燃烧产物，所以EGR气体包含大量水蒸气。由于不在本发明的发动机中处理或冷却EGR气体(与传统的EGR系统相反)，所以在EGR气体中的水蒸气的全负荷循环回发动机中。一方面，本发明的EGR系统的这个特征减少了在任何规定的时刻注入必须在车辆上承载的发动机(在车辆中的发动机)中所需要的液态水量。
可通过适于将液体注入发动机进口歧管或气缸中的喷射器来注水。在一个实施方式中，在点火之前吸入或注入气缸中之前，在存在EGR气体时，水喷射器可将雾化喷射的水注入到进口歧管中。在一个实施方式中，在EGR气体被注入或吸入气缸中之后，水喷射器可将雾化喷射水直接注入气缸中。
在本发明的背景下理解的短语“内部冷却废气再循环”旨在表示在EGR轨道中不使用任何混合介质热交换器。因此，在使用内部冷却废气再循环的发动机中，在EGR轨道中不具有热交换器、散热器、冷却线圈、水套冷却、空气冷却片或其他外部冷却设备。在本发明的背景下，EGR轨道被定义为在一部分废气从排放轨道转向到将转移的废气注入进气轨道中的点之间的废气路径。
相比之下，在现有技术中已知通过热交换器的EGR冷却。根据本发明，通过将水直接注入EGR轨道中、在注入EGR气体之后注入到进气轨道中、或者将EGR气体引入其中之后通过将水直接注入气缸中，仅EGR气体的冷却源自内部冷却。
注入废气内的预定量的雾化水无需是纯净水。在一个实施方式中，水可包括较低的烷醇，尤其是C1到C4，例如，甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇或丁醇的任何同分异构物。在水内使用乙醇溶液可(例如)降低水的熔点，以用于在寒冷气候中进行EGR冷却。例如，在水中混合30％的乙醇(w/w)具有-20℃的熔点/冰点。
在图4中示出了本发明的内部EGR实施方式，其示出了具有直接燃料喷射的自然吸气内燃机以及显示内部EGR的发动机系统的示意图。在内部EGR的情况下，不提供任何外部废气再循环路径。反而，在通过水喷射器将EGR冷却直接引入燃烧室中的情况下，通过阀门定相或气门重叠，废气“内部地”再循环。在这个实施方式中，进气阀5或排放阀6的时间必须独立地进行计算机控制，以向EGR提供阀门定相或气门重叠。
在图4中示出的本发明的内燃机的操作总体上符合标准的四冲程发动机。进气阀5在活塞的进气冲程开始时打开，以允许空气流入燃烧室1中。进气阀5在压缩冲程开始之前关闭，其中，活塞2在燃烧室1中对空气和燃料进行压缩。在活塞2的顶部(即，上死点(TDC))行进之前不久，点火系统(即，火花塞24)在燃烧室1中点燃燃料/空气混合物。在活塞循环经过TDC之后，点燃的燃料在动力冲程中向下推动气缸，以转动曲轴26。在动力冲程期间，当活塞到达其在气缸中的行程的最低点(即，下死点(BDC))时，内燃机开始排气冲程。在排气冲程中，排放阀4打开，并且活塞的2的向上行进迫使废气从燃烧室1中出来。
在这个内部EGR实施方式中，通过排放阀4或进气阀5的特殊排序，使废气通过阀门定相或气门重叠而内部地再循环。例如，在一部分排气冲程期间，进气阀可打开，以允许一些废气进入进口歧管中。然后，在进气冲程期间，这些气体再循环回气缸中。在另一个实施方式中，在进气冲程期间，可打开排放阀，从而允许在排气歧管中的一些废气进入气缸中。因此，在图4的实施方式中，必须独立地控制进气阀和/或排放阀，以实现所需要的阀门定相。
如图4中所示，来自贮存器8的水由泵9加压并且通过喷射器7直接注入燃烧室1中，以对再吸入的废气进行冷却。注入的水量由发动机控制计算机30确定和控制。还在图4中描述了燃料贮存器21、燃料泵20、燃料喷射器12、线圈23以及活塞杆25。
发动机控制计算机30具有与歧管压力传感器29、水泵9、燃料泵20以及可变阀门时间控制件(未示出)连接的连接件。根据本发明，在图4中描述的发动机的一个实施方式以高压缩比、贫燃料混合物以及预定量的注入水来操作。
在图5中描述了本发明的另一个实施方式，其示出了具有直接燃料喷射的自然吸气内燃机以及发动机系统的示意图，该发动机系统示出了在通过水喷射器7引导EGR冷却的情况下，废气经过外部EGR环路的流动。因此，在高压缩活塞2的排气冲程期间，来自高压缩燃烧室1的废气离开并进入排放轨道3中。由发动机控制计算机30控制的EGR阀门10允许可控量的废气进入EGR轨道11中，以传输至进气轨道6，而不穿过外部热交换器。再循环的废气温度高于进气装料温度。
水喷射器7通过院子EGR轨道11的再循环废气并通过经由喷射机直接注入燃烧室中的燃料将预定量的水注入燃烧室中。根据本发明，注入腔室中的水直接降低了再循环的废气的升高温度。在图5中还示出了发动机控制计算机30，该发动机控制计算机具有与歧管压力传感器29、水泵9、燃料泵20以及EGR阀门10连接的连接件。根据本发明，在图5中描述的发动机的一个实施方式以高压缩比以及贫燃料混合物来操作。
在图6中示出了另一个实施方式，其示出了具有端口燃料喷射的自然吸气内燃机以及发动机系统的示意图，该发动机系统示出了在通过水喷射器将EGR冷却引入燃烧室中的情况下，废气经过外部EGR环路的流动。在高压缩活塞2的排气冲程期间，来自高压缩燃烧室1的废气离开并进入排放轨道3中。EGR阀门10允许一些废气进入EGR轨道11中，以传输至进气轨道6，而不穿过外部热交换器。在水注入之前，再循环的废气温度大于进气装料。在这个实施方式中，通过燃料喷射器12将燃料注入进气轨道(端口喷射)中，而非直接进入气缸中。
水喷射器7通过来自EGR轨道11的再循环废气将具体且受控量的水直接注入燃烧室中，并且在点火之前对升高的气体温度进行冷却。
在图7中示出了本发明的另一个实施方式，其示出了具有端口燃料喷射和端口水喷射的自然吸气内燃机的示意图。发动机系统示出了，在通过水喷射器进行EGR冷却的情况下，经过外部EGR环路将废气引导到进气轨道中。在高压缩活塞2的排气冲程期间，来自高压缩室1的废气离开并进入排放轨道3中。EGR阀门10允许可控量的废气进入EGR轨道11中，以传输至进气轨道6，而不穿过外部热交换器。允许进入进气轨道6中的再循环的废气的温度大于进入的空气的温度。由通过泵9加压且由喷射器7注入进气轨道中的来自贮存器8的水对EGR气体进行冷却。在进气冲程期间，将具有新鲜空气的气体、冷却的EGR气体、水蒸气以及燃料吸入燃烧室1中。为了简单起见，在图7中省略了发动机控制计算机、传感器以及相关的连接件。
在图8中示出了本发明的另一个实施方式，其示出了具有直接燃料喷射、直接水喷射以及外部EGR的涡轮增压内燃机的示意图。发动机系统示出了经过外部EGR环路引导废气的流动，该回路为高压回路11或低压回路17或这两者。在这个实施方式中，在高压缩活塞2的排气冲程期间，来自高压缩室1的废气在点燃之后离开并进入排放轨道3中。在这个实施方式中，发动机排气对涡轮机14进行驱动，该涡轮机连接至压缩机13，该压缩机对来自进气路径28的新鲜空气15以及在进口歧管6中的其他气体加压。在高压EGR旁路11中，来自排气管3的废气在涡轮机14之前分流到进口歧管中。在如上所述的计算机控制下，EGR阀门10控制进入EGR旁路11的废气量，以传输至高压进气轨道6。
因此，EGR气体进入进口歧管6，而不穿过外部热交换器，这提供比进气装料温度更高的再循环废气温度。在低压EGR回路的情况下，在离开涡轮增压器涡轮14之前，一部分排出气流16通过由阀门18控制的EGR旁路17而被分流到进气口，并进入新鲜的进气口28中。
来自贮存器8的水由泵9加压并且被供给至喷射器7，以将可控量的水直接注入燃烧室1中，该燃烧室包含再循环的废气，并且通过喷射器12将燃料直接注入燃烧室中。注入到腔室1中的水直接降低了再循环废气的升高温度。为了简单起见，从图8中省略了发动机控制计算机、传感器以及相关的连接件。
在图9中示出了另一个实施方式，其示出了具有端口燃料喷射、直接水喷射的涡轮增压内燃机以及发动机系统的示意图，该发动机系统示出了在通过水喷射器将EGR冷却引到进口歧管6中的情况下，在高压和低压下废气经过外部EGR环路的流动。这个实施方式的操作与图8的涡轮增压实施方式类似，其具有高EGR旁路和低EGR旁路实施方式，但具有端口燃料喷射而非直接燃料喷射。
在另一个实施方式(未示出)中，涡轮增压发动机可使用本发明的EGR和水喷射，其具有端口燃料和端口水喷射。在另一个实施方式中，使用超级增压器。术语“涡轮增压器”表示由废气驱动的空气压缩机。术语“超级增压器”表示由与发动机的机械联动件驱动的空气压缩机。
在其他实施方式中，在图4至图9中示出的实施方式可与压缩点火式发动机一起使用，但其不具有火花点火系统。
表1示出了VW 1.9L 4气缸涡轮增压的直喷式柴油机的实验结果，其具有19:1的压缩比，并且外部EGR被修改为在每个气缸中包括水喷射器。在这个试验发动机中，λ取决于发动机负荷而变化，但绝不小于1.1，并且其范围高达大约1.5。EGR和λ成反比，使得λ越大，EGR越小。EGR从0％到30％改变。水从0％到100％改变。最高的操作效率(17-21行)提高了NOx产量。增大水量或EGR量，大幅减少NOx产量对总效率具有最小影响，如在实验5、11、21以及23中所示。
表1：四缸柴油机的实验结果
在表1中的发动机试验结果示出了39.5％的最大效率，其具有10％的EGR以及25％或50％的水喷射(实验20和21)。
在本发明中，雾化水的量、空气燃料混合物以及在任何规定的时间使用的EGR的量由发动机控制器(ECU)控制。具体而言，例如，发动机控制器接收与加速计的位置、排气温度、车速、阀门事件和位置、空燃比相关的信号。这些信号由在本领域中众所周知的并且在电子上向发动机控制器提供的相应传感器生成。信号提供控制参数，以用于调节EGR的量以及注入EGR轨道中的雾化水的量，以获得再循环废气的期望温度。此外，在发动机空转和巡航的条件下，根据以上信号来调节空气燃料混合物，以优化功率输出并且使节流损失最小化。
在使用本发明的发动机的车辆巡航的情况下，空气燃料混合物最贫。然而，这在燃烧室中产生了大量热量，如上文所述。因此，通过将更大量的雾化水引入EGR轨道中，将EGR冷却为更低温度。通过这种方式，压缩比可保持较高，并且可优化空燃比。
根据上面确定的信号，还控制引入燃烧室内的EGR的量，以优化燃烧室的热质量。因为热交换器将反应迟滞引入到该系统中，所以本发明的发动机不能通过外部EGR热交换器来提供精密控制。换言之，在燃烧室内不能实现对在外部热交换器处的再循环的废气的冷却进行调节，直到热交换器中的废气最终到达燃烧室中，这可能需要几秒钟。
在本发明的一个实施方式中，本发明的发动机使用具有直接冷却的内部EGR，这是因为其提供了EGR容量的最直接且精确的控制以及废气温度的控制。
基于由发动机控制器获得的预先储存的且定期生成的表格，来控制注水量以及EGR量。在一个实施方式中，通过运行注射扫描，实验性地生成这些表格。具体地，发动机保持恒定的速度和负荷，同时改变注水和EGR的量。以不同的速度和负荷执行注射扫描，使得便在大部分操作条件下，为注水和EGR确定最佳值或一组最佳值。数据添进试验结果中之间，以产生位于实际的试验点之间的点的全矩阵。因此，在发动机通过不同的负荷和速度运行时，ECU能够将优化的注水量和EGR量提供给燃烧室，以便保持期望的操作参数。
更具体地，在图10中描述了用于为了内燃室的每个气缸而对水和EGR进行控制的方法1000。在1010处，ECU确定当前发动机操作条件，例如，包括发动机RPM、负荷、空气质量流量。在1015处，例如，根据操作参数(例如，空气质量流和RPM)，确定期望的空气/燃料混合物。
在1020处，基于操作参数以及空气/燃料混合物，获得EGR的量。ECU可凭经验或者根据储存的查找表，而获得EGR的量。此外，在1025中，感测废气的温度，并且将该温度报告给ECU。
基于空气/燃料混合物、压缩比以及排气温度，来计算必要的冷却量，并且在1030中，ECU确定合适的注水量。可凭经验计算或者根据ECU可获得的预先储存的查找表来确定待注入的水量。
基于空气/燃料混合物、EGR水平以及注水量的上文确定的值，ECU控制当前气缸的燃料喷射器，在1035中，在活塞的上死点(TDC)之前，通过计算的空气/燃料比将空气和燃料喷射到燃烧室中。此外，在1040处的水喷射器以及在1045中的EGR阀门被控制为在TDC之前，将确定量额雾化水和废气引入燃烧室中。在本发明中，EGR阀门可构成设置在外部EGR轨道上的阀门、在持续时间内保持打开以便允许废气再循环回燃烧室中的排放阀、或者耦接至EGR轨道的进气阀，上文更详细地进行描述。
应同时引入雾化水和废气，以便降低由注入的水引起更彻底的混合和冷却，从而降低在燃烧室中的燃料过早点火的风险。可替换地，在引入空气/燃料混合物之前，可引入水和废气。
在ECU的相应的查找表中，ECU可继续监控发动机的性能并且调节水和EGR的值。
即，在一个实施方式中，使用储存在一个或多个注水和EGR表格中的预定信息，发动机控制器计算控制参数，以影响发动机输出条件，例如，待注入燃烧室中的雾化水和废气的量。根据在本文中描述的实施方式，这些调节可受到发动机控制器的影响，该发动机控制器传送消息，以用于控制燃料喷射器的驱动(例如，停留时间)，传送消息，用于控制注水的时间和雾化水喷射的量(在TDC之前)，并且控制引入燃烧室中的废气的量(在TDC之前)。
在发动机逐周期的基部处，考虑当前感测的条件值，并且响应于当前温度和压力读数以及其他变量，例如，环境条件，例如，环境温度，在用于在本文中描述的最大效率、压缩以及冷却的压缩冲程期间，通过发送出用于修改燃料喷射量和时间的控制消息以及相对于在气缸处的火花点火(进展)的时间控制注水的量(端口还是气缸直喷)的控制消息，发动机控制器协调系统的操作。
要理解的是，可根据在现有循环期间的操作(包括一些现有循环的时间平均值)，在发动机的任何特定的操作周期中，调节发动机操作的监控和控制，以确保以稳定的方式通过合适的曲轴角进行点火和注水。
本发明的描述的实施方式旨在具有说明性而非限制性，并且并非旨在表示本发明的每个实施方式。在不背离在所附权利要求中逐字地并且在法律上视为等效地陈述的本发明的精神和范围的情况下，可进行各种修改和变化。

Claims (22)

1.一种内燃机，包括：
至少一个气缸，其中，所述至少一个气缸中的每个气缸均具有燃烧室、活塞、进气阀以及排放阀，其中，所述至少一个气缸中的每个气缸中的机械压缩比大于12:1且小于40:1；
进气轨道，与每个进气阀连通；
排放轨道，与每个排放阀连通；
燃料处理系统，具有至少一个燃料喷射器，以用于将燃料喷射到所述燃烧室或所述进气轨道中，其中，所述燃料处理系统提供的空燃比(λ)大于1且小于7.0，所述空燃比为空气与燃料的比率；
点火系统，用于在所述活塞的压缩冲程结束时点燃所述燃烧室中的燃料；
废气再循环装置，用于使废气从排放口再循环到发动机进口；以及
冷却装置，用于通过使再循环的废气与注入到废气再循环轨道中的预定量的雾化水直接接触来对再循环的废气进行冷却。
2.根据权利要求1所述的内燃机，所述内燃机还包括发动机控制单元，所述发动机控制单元被构造为基于所述内燃机的感测的操作参数来调节引入所述燃烧室中的再循环的废气的量，调节预定量的雾化水以及空燃比。
3.根据权利要求1所述的内燃机，其中，所述点火系统是火花点火，并且空燃比大于1且小于3.0。
4.根据权利要求3所述的内燃机，其中，所述压缩比大于12:1且小于20:1。
5.根据权利要求1所述的内燃机，其中，所述点火系统是压缩点火。
6.根据权利要求5所述的内燃机，其中，空燃比在1.4到6.0之间。
7.根据权利要求5所述的内燃机，其中，所述压缩比在14:1到40:1之间。
8.根据权利要求1所述的内燃机，其中，使用气门重叠通过至少一个排放阀使得所述废气再循环废气内部地再循环，其中，所述排放阀在所述活塞的排气冲程的结束时并且在所述活塞的进气冲程的早期保持局部打开，使得在进气冲程的早期将一部分废气从排放轨道吸入到所述气缸中。
9.根据权利要求1所述的内燃机，其中，使用气门重叠通过至少一个进气阀使得废气内部地再循环，其中，所述进气阀在所述活塞的排气冲程的结束时局部打开，以允许将一部分废气排放到进气轨道中，并且其中，在所述活塞的进气冲程期间将一部分废气从所述进气轨道吸入到所述气缸中。
10.根据权利要求1所述的内燃机，其中，所述废气再循环轨道还包括废气再循环阀门和管道，以用于使废气外部地再循环。
11.根据权利要求10所述的内燃机，其中，再循环的废气的温度与离开所述至少一个排放阀的通过预定量的雾化水进行冷却之前的废气的温度相等。
12.根据权利要求1所述的内燃机，其中，注入到废气中的所述预定量的雾化水是在点火之前通过废气再循环注入到所述至少一个气缸中的废气的重量百分比的5％到125％。
13.根据权利要求1所述的内燃机，其中，所述发动机是吸入式的。
14.根据权利要求1所述的内燃机，其中，所述发动机装配有涡轮增压器或超级增压器。
15.一种用于操作内燃机的方法，所述方法包括：
确定当前发动机的操作参数；
根据所述操作参数计算空气/燃料混合物，所述空气/燃料混合物具有大于1的化学计量空燃比(λ)；
基于所述操作参数和所述空气/燃料混合物，获得期望的废气再循环水平；
感测废气的温度；
基于废气再循环水平、感测的废气温度以及计算的空气/燃料混合物，来确定注水量；
对阀门进行控制，以将等于期望废气再循环水平的废气量从废气轨道再循环到内燃机的燃烧室中；
对水喷射器进行控制，以将确定的水量注入到再循环的废气中；以及
对燃料喷射器进行控制，以将计算的空气/燃料混合物引入到燃烧室中；
其中，在活塞到达形成燃烧室的气缸中的上死点位置之前，以一定时间间隔对所述阀门、所述水喷射器以及所述燃料喷射器进行控制，所述活塞提供大于13:1的机械压缩比。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，受控制以使废气再循环的阀门是在活塞移动到下死点位置期间所述气缸的在某个时间间隔内保持打开的排放阀。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，受控制以使废气再循环的阀门是所述气缸的耦接至排放轨道的进气阀。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，在上死点之前，雾化形式的水直接注入到所述燃烧室中。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，在将所述再循环的废气引入到所述燃烧室中之前，雾化形式的水直接注入到所述再循环的废气中。
20.根据权利要求15所述的方法，其中，所述内燃机是压缩点火式发动机。
21.根据权利要求15所述的方法，其中，所述内燃机是火花点火式发动机。
22.一种内燃机，包括：
至少一个气缸，其中，所述至少一个气缸中的每个气缸均具有燃烧室、活塞、进气阀以及排放阀，其中，所述至少一个气缸中的每个气缸中的机械压缩比大于13:1；
进气轨道，与每个进气阀连通；
排放轨道，与每个排放阀连通；
燃料处理系统，具有至少一个燃料喷射器，以用于将燃料喷射到所述燃烧室或所述进气轨道中，其中，所述燃料处理系统提供的空燃比(λ)大于1且小于7.0；
点火系统，用于在所述活塞的压缩冲程的结束时点燃所述燃烧室中的燃料；
废气再循环装置，用于使废气从排放口再循环到发动机进口；以及
冷却装置，用于通过使再循环的废气与注入到废气再循环轨道中的预定量的雾化水直接接触来对再循环的废气进行冷却。
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