CN107013374B - 用于将水引入到内燃发动机的进气歧管内的设备及控制装置 - Google Patents

用于将水引入到内燃发动机的进气歧管内的设备及控制装置 Download PDF

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Abstract

本申请涉及用于将水引入到内燃发动机的进气歧管内的设备及控制装置。提供了用于将水引入到内燃发动机的进气歧管内的方法和系统。在一个示例中，所述系统可以包含水容器、用于将水输入到所述进气歧管内的水进口、和被布置在进气歧管进口与所述内燃发动机之间的节流阀。所述水容器被布置在比所述水进口更高的点处，并且所述水进口在所述节流阀的下游通向所述进气歧管。可切换阀被布置为与水容器和水进口两者流体连接，具有可切换阀能够启用或中断水到所述进气歧管内的引入并且还在水进口处产生从水容器吸取水的文氏管效应的结果。

Description

用于将水引入到内燃发动机的进气歧管内的设备及控制装置
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年1月28日提交的德国专利申请号102016201276.2和2016年1月28日提交的德国专利申请号102016201277.0，的优先权。为了所有目的，上面提及的申请的全部内部以引用方式被完全并入本文。
技术领域
本发明大体涉及用于制作可用水并将水引入到内燃发动机的进气歧管内的方法和系统。
背景技术
内燃发动机的运转能够通过水到要被燃烧的空气/燃料混合气内的计量的引入进行优化。这基本上已经被知晓几十年，并且对应的示例性实施例能够尤其发现于第二世界大战的飞行器中或60年代早期的奥兹莫比尔乘用车中。在当今时代，经济性实验已经确认水喷射同样对于直喷火花点火式发动机的可能。
在火花点火式发动机中，水的引入尤其抑制发动机的爆震。因此，特别是在增压式发动机中，发动机的动力能够被增加和/或其效率被增加。在火花点火式发动机中，水到内燃发动机的进气区域内的引入实际上提供了可从水喷射获得的所有优点。在柴油发动机中，通过将水引入到充气内，特别地减少碳烟和/或NOx的排放是可能的。然而，在柴油发动机中，与燃料分开或利用燃料乳化的水到燃烧室内的更昂贵的直接喷射通常需要实现可从水喷射获得的所有优点。
到目前为止，尽管已知的优点，用于将水引入到内燃发动机内的系统还未在大规模生产的乘用车中变得平常。原因是例如额外的成本、额外的质量、和为乘用车配备用于将水引入到内燃发动机内所需的安装空间。由顾客提供足够的水供应的形式的进一步运转介质的要求还会不利地影响顾客满意度，并且因此影响车辆制造商试图将具有将水引入到发动机内的系统的车辆的投放到市场上的经济性成功。然而，用于将水引入到内燃发动机内的各种系统已经被描述。
US4503813A描述了用于从排气凝结水以便制作用于引入到进气区段内的可用水的设备(设备/设置/布置/arrangement)。描述给出了尤其将凝结装置布置在贮存容器上方，使得凝结的水在重力下流入贮存容器。
US20040103859A1描述了用于将水引入到进气区段内的设备。在该设备中，水贮存容器被布置在水喷射喷嘴上方，使得水能够在重力下流入喷射喷嘴。
WO2004025108A1描述了用于将液体添加剂(铈盐)引入到柴油发动机的进气区域内的装置。
US8375899B2描述了一种燃料系统，其中除了燃料外，水也被引入到发动机内。水从排气区段或车辆空气调节系统被凝结，并被收集在燃料箱的分离部分中。收集的水通过直接喷射被引入到内燃发动机内。
US20110168128A1描述了从内燃发动机中的排气凝结水并通过直接喷射将它供给到发动机的系统。值得一提的是，取决于燃料，水能够与燃料混合并连同它一起被供给到发动机。
DE102007050511A1描述了用于使水从车辆空气调节系统中析出(precipitate)出来以便将它引入到内燃发动机内的方法。
US8820270B2描述了用于将水喷射到内燃发动机的进气区域内的设备和用于使水从内燃发动机的排气析出的装置。
US4279223A描述了用于使水从内燃发动机的排气析出的装置和设备。析出的水然后被供给到更改的蒸发器，并且以此方式最终被供给到内燃发动机。
EP2657473A2描述了用于从内燃发动机中的排气或从空气调节系统回收水的装置。利用泵使回收的水可用于内燃发动机。
US20110138793A1描述了用于从内燃发动机的排气凝结并析出水的装置。收集的水利用泵被供给到内燃发动机的燃料进口，并且在所述进口处与燃料混合。
此外，水供应结冰的风险需要结构预防。之前提出的系统(诸如电加热器)也需要进一步的设备复杂性、增加的成本，并且带来进一步的缺点(诸如车辆电池的放电或由于所需电力的产生的增加的燃料消耗)。
US8286615描述了具有一体的水冷式增压空气冷却器的进气歧管。US6619274描述了用于V形布置的舷外马达的进口冷却系统，其中进口冷却系统被布置在发动机的V形中。JPH06123225A也描述了用于舷外马达的进口冷却系统。文章"HPA Motorsports3.2VR6Performance Upgrades"描述了具有集成的增压空气冷却器的进气桥。
然而，发明人在此已经认识到这类系统的潜在问题。作为一个示例，当水被要求用于输送到内燃发动机的进口区域内时防止水结冰的用于将水引入到内燃发动机的进气区域内的具有极少结构复杂性的设备还未被知晓。
发明内容
在一个示例中，上述问题可以通过一种系统来解决，所述系统包含：内燃发动机，其具有进气歧管；节流阀，其被布置在进气歧管进口与所述内燃发动机之间；水进口，其在所述节流阀的下游被连接至所述进气歧管，并且具有文氏管喷嘴，所述文氏管喷嘴被耦接至被设置在所述水进口上方的第一水容器的下部区域；旁通阀，其被设置在所述进气歧管进口与所述水进口之间；以及控制机构，其被连接至所述旁通阀以依赖于发动机负荷而打开它，从而在所述文氏管喷嘴处引起迫使水进入所述进气歧管的压力下降。以此方式，可获得用于将水引入到内燃发动机的进气区域内的制造起来成本有效且需要小安装空间的设备。另外，藉由通过文氏管喷嘴引入水，可以实现比通过仅依赖于重力供给所能实现的更高的水流和更多的雾化。此外，雾化的水可以从进气歧管直接进入燃烧室，并在燃烧室内蒸发，从而引起冷却。在一些现有方案中，水被喷射在热进气门的背侧上(进气道喷射)，并且汽化潜热受损失，因为一些部分水在进气门上而非在燃烧室中汽化。此外，需要泵、压力管路和用于每个燃烧室的喷射器来喷射水。在其他方案中，喷射器被放置在每个燃烧室内。这些方案需要高压泵、高压管路和每个燃烧室中的喷射器。
作为一个示例，第一水容器可以被导热地连接至进气歧管，并且可以形成一体的进口部件。以此方式，热可以从流过进气歧管的空气被传递到第一水容器中的水，以当水被要求用于输送到内燃发动机的进气区域内时防止水结冰。另外，控制器可以控制旁通阀的致动，使得水在选定的发动机工况下而不在其他发动机工况下被输送。以此方式，该设备以无泵的方式并且在没有额外的加热元件的情况下提供了水到内燃发动机的进气区域的输送。
应当理解，提供以上概述是为了以简化的形式介绍一些概念，这些概念在具体实施方式中被进一步描述。这并不意味着确定所要求保护的主题的关键或基本特征，要求保护的主题的范围被紧随具体实施方式之后的权利要求唯一地限定。此外，要求保护的主题不限于解决在上面或在本公开的任何部分中提及的任何缺点的实施方式。
附图说明
图1是根据本公开的用于制作可用水并将它引入到内燃发动机内的设备的示意图。
图2示出了用于将水输送到内燃发动机的进口区域内的设备的示例性实施例的示意描绘。
图3是用于将水引入到内燃发动机内的示例方法的流程图。
具体实施方式
以下描述涉及用于存储水并将它输送到内燃发动机的进气歧管的设备和方法。在此背景下，术语“水”要被理解为还指的是水和适于有利地影响内燃发动机中的燃烧或具有其他期望性质的其他物质(诸如甲醇或乙醇)的混合物。此外，在下文中，词语“进气歧管”、“吸气歧管”、“进气管”和“进口区域”以相同意义进行使用。如在图1和2中示出的，该设备可以包含第一水容器、用于将水输入到进气歧管内的水进口、和被布置在进气歧管进口与内燃发动机之间的节流阀。第一水容器被布置在比水进口更高的点处，并且水进口在节流阀的下游通向进气歧管。第一水容器的下部区域被流体地连接至水进口，并且第一水容器的上部区域在节流阀的下游被流体地连接至进气歧管。在图1的示例实施例中，进气歧管的在节流阀上游的区域经由旁路被流体地连接至水进口。可切换阀被布置在旁路中，具有它能够中断旁路的结果。在图2的示例实施例中，进气歧管的在节流阀下游的区域经由可切换阀被布置在其中的管路被流体地连接至水进口。在两个实施例中，取决于位置，可切换阀能够完全或部分地启用或阻止水通过水进口的流动。控制装置可以致动可切换阀，以便例如根据图3的方法在某些发动机工况下将水输送到进气歧管。以此方式，根据本公开的设备能够以成本有效且节省空间的方式被安装在车辆中，以便允许水以无泵的方式被引入到内燃发动机的进气区域内。
在根据本公开的装置中，第一水容器和进气歧管能够以导热的方式被连接。具体地，第一水容器核进气歧管能够被体现(embody)为一个集成的部件，如在图2的示例实施例中更详细地图示的。例如，第一水容器可以特别地与至少一个集气室和/或进气歧管的至少一个进口管道导热地连接，其中第一水容器和至少一个集气室和/或进口管道也可以形成一体的进口部件。
热可以从流过进气歧管的空气被传递到存在于水容器中的水。特别地在增压式发动机的情况下，该空气的温度通常在环境温度之上。如果在流过增压组件的压缩机和任何增压空气冷却器之后空气的温度仍然位于水的冰点(例如，0℃)之下，通常不指示到内燃发动机的水喷射。因此，借助于根据本公开的设备，确保了当水被要求用于输送到内燃发动机的进气区域内时水不结冰。
在本公开的有利实施例中，用于提供水以便输送到内燃发动机的进气区域内的设备包含到至少一个水容器的供应管路和被布置在供应管路中或上的止回阀。如果水容器中的压力上升至环境压力之上，止回阀可以阻止水或空气从水容器流回到供应管路内。
根据本公开的设备还可以包含在到水容器的供应管路中或上的加注水平阀。这可以防止太多的水流过供应管路到达水容器以致于水容器中的水水平位于水水平的阈值值之上。加注水平阀可以例如被形成为浮阀。它也可以配置为具有止回阀的结构单元。
根据本公开的设备也能够额外地包含用于收集水的第二水容器，如在图1中图示的。第二水容器可以在上部区域中具有允许压力与周围环境(例如，大气压力)相等的开口。在此背景下，第二水容器可以被布置在比第一水容器更低的垂直高度处。第二水容器的下部区域可以经由管路被流体地连接至第一水容器的上部区域，其中止逆阀可以以如下方式被布置在管路中：流体(例如，水和/或空气)能够从第二水容器流至第一水容器但是不能从第一水容器流至第二水容器。第二水容器到周围环境的开口用来使压力相等，由于当流体从第二容器被供给时，空气能够从周围环境流过该开口。到周围环境的开口在这里也能够被配置为溢流管，如果第二水容器已经到达结构上提供的设定点加注水平，通过该溢流管能够避免析出的水的回行。
根据本公开的用于制作可用水的设备还能够包含空气调节系统的空气冷却部件。在这样的情况下，空气调节系统的意图例如用于车辆车厢的空气在其处被冷却的部件被布置在比第二水容器更高的点处。在通常的空气调节系统中，用于冷却空气的该部件是蒸发器。由于空气在该蒸发器处被冷却，水在所述蒸发器处从空气中凝结出来。使得凝结的水能够在重力下流入第二水容器，空气调节系统的蒸发器被布置在第二水容器上方。用于空气调节系统的通常的蒸发器以如下方式进行配置：凝结的水在重力下通过外壳的排出部而被引导远离进入开放的大气。
在根据本公开的设备中，空气调节系统的空气冷却部件和第二水容器以如下方式被流体地连接至彼此：通过空气冷却部件凝结的水能够流入第二水容器。本领域技术人员应清楚的是，在空气不在蒸发器处被冷却的不常见的空气调节设计的情况下，空气在其处被冷却的另一空气调节代替根据本公开的设备中的蒸发器。
根据本公开的用于制作可用水的设备还能够包含排气再循环装置(EGR)的被设计为使水析出的部件。排气再循环装置的被设计为使水析出的部件然后被布置在比第二水容器更高的点处，因为析出的水要在重力下流入第二水容器。本领域技术人员应清楚的是，特别地，排气再循环装置(EGR冷却器)的冷却器适于被设计为使水析出。在这样的情况下，EGR冷却器被布置在比第二水容器更高的点处，因为水从排气被凝结在冷却器中，并且因此从排气被析出。这样的EGR冷却器也可以被设计为引导凝结的水离开。如果根据本公开的设备包含排气再循环装置，排气再循环装置的被设计为使水析出的部件和第二水容器以如下方式被流体地连接至彼此：被凝结在被设计为使水析出的部件中的水能够流入第二水容器。
在根据本公开的用于制作可用水的设备中，被布置在比第二水容器更高的点处的排气区段也能够被额外地提供，其中排气区段和第二水容器以如下方式被流体地连接至彼此：被凝结在排气区段中的水能够流入第二水容器。
用于控制根据本公开的设备的控制装置也是本公开的一部分。控制装置可以以如下方式进行体现：它能够将设备改变为第一状态并且改变为第二状态。在第一状态下，可切换阀被关闭，并且进气歧管中的压力高于环境压力(增压运转模式)。在图1的实施例中，在该状态下，相同的压力在第一水容器中、在节流阀下游的进气歧管中、和在水进口中发生，具有水不能从第一水容器被引入到进气歧管内的结果。在图2的实施例中，在该状态下，被关闭的可切换阀阻塞水从第一水容器到水进口的流动。该状态因此表明不引入水的增压运转模式。
在第二状态下，可切换阀被打开，并且进气歧管中的压力高于环境压力(增压运转模式)。在该状态下，借助于重力和跨过水进口的压力梯度的结合，水通过水进口从第一水容器被引入到进气歧管内。该状态因此表明引入水的增压运转模式。
根据本公开的设备的用于在内燃发动机的吸气运转模式下将水引入到进气歧管内的行为是类似的。在吸气运转模式下，通常，水的引入不被期望。因此，在吸气运转模式下，可切换阀能够特别被保持关闭，具有水不被引入到进气歧管内的结果。
在控制装置的进一步改进中，所述装置还能够以如下方式进行体现：它能够将设备改变为第三状态，在第三状态下节流阀下游的压力低于环境压力(吸气运转模式)并且可切换阀阀被关闭。来自进气歧管的压力因此也在第一水容器中进行设定，并且低于第二水容器中的压力。如果压差足以克服重力，水从第二水容器被输送到第一水容器内。
取决于该设备的设计，控制装置能够以不同的方式适于相应设备的致动。控制装置能够包含不同的控制装置，或能够例如作为发动机控制单元被集成到这样的装置内。
根据本公开的车辆包含内燃发动机和根据本公开的用于将水引入到内燃发动机的进气区域内的设备。车辆能够额外地包含用于控制该设备的控制装置。车辆可以是乘用车或卡车。然而，作为船只(船艇或舰艇)、作为轨道车辆、或作为摩托车的实施例也是可想到的。
现在转向图，图1以示例的方式示出了根据本公开的用于制作可用水并将水引入到内燃发动机(VM)103的进气歧管115内的设备。这种类型的设备能够被安装在例如车辆中。第一水容器101在这里被体现为与进气歧管115一起的一体部件。借助于作为一体部件的实施例，热能够从内燃发动机103或进气歧管115被有利地传递到第一水容器101，并且因此能够防止第一水容器101中的水结冰，或结冰的水能够被融化。节流阀112也在升压装置(诸如涡轮增压器50或机械增压器)的压缩机126的下游被布置在进气歧管115中。压缩机126可以由被布置在排气区段119中的排气涡轮(未示出)至少部分地提供动力。压缩机126可以经由轴56被耦接至排气涡轮。替代地，如果涡轮增压器50是机械增压器，压缩机126可以被机械地驱动(例如，带驱动)、被电动地驱动、或其组合。压缩机126可以被配置为吸入大气压力下的进气113并且将它升压至更高的压力(例如，高于大气压力)。在由压缩机126进行压缩之后，空气可以流过增压空气冷却器156，以便经由进气歧管115输送到内燃发动机103。利用升压的进气，发动机运转的增压模式可以被执行。
进气113流过进气歧管115，并且经过节流阀112进入内燃发动机103。在节流阀112的上游且在增压空气冷却器156的下游，进气113处于压力pv。压力pv通常也被称为增压压力。在节流阀112的下游，进气113处于压力ps，该压力ps通常也被称为进气管压力。取决于节流阀112和进气113的质量流量的设定，ps在更大或更小的程度上在pv之下。如果内燃发动机是增压式发动机，pv和ps也能够在环境压力pu之上。
第一水容器101的下部区域通过第一管路106被流体地连接至水进口107。因此，水能够从第一水容器101流至水进口107。第一水容器101的上部区域通过第二管路102被流体地连接至进气歧管115的在节流阀112下游的区域。因此，压力ps也在第一水容器101中进行设定。
水进口107在节流阀112的下游被布置在进气管115中。水进口107也被布置在第一水容器101下方，具有水在重力下从第一水容器101流至水进口107的结果。
第三管路111将进气歧管115的在节流阀112上游的区域流体地连接至水进口107。旁通阀109被布置在第三管路111中。所述旁通阀109具有可切换设计(例如，变换阀)，具有它能够关闭或打开第三管路111的结果。如果旁通阀109被打开，节流阀112上游的进气113的压力pv呈现于水进口107处，所述压力pv在压力ps之上。通过水进口107的合适设计，该压力梯度能够被用来通过水进口107将水从第一水容器101引入到进气歧管115内。例如，水进口107可以是文氏管喷嘴，使得从第三管路111流过喷嘴的空气能够有利地产生压降，以便来自第一管路106的水被拉入到进气113的气流内并且被输送到进气歧管115内。这是比仅依赖于重力供给更有效的输送系统。通过文氏管喷嘴的使用，更高的水流速被实现，并且进入进气歧管的水的雾化改善。
在该示例中，旁通阀109通过控制装置110被打开或关闭。在该示例中，当旁通阀109在开启状态下时，水通过水进口107的文氏管喷嘴被输送到进气歧管115。控制装置110通过控制旁通阀109来控制与发动机运转参数(诸如发动机负荷和温度)有关的被输送的水量，以改善发动机103的运转。例如，水如在上面描述那样被输送，以实现以下发动机运转目的中的一个或更多个。
一个发动机运转目的是避免点火爆震。从进气歧管进入每个燃烧室的雾化的水在高温燃烧室中汽化。水的状态的改变对燃烧室进行冷却。即，汽化潜热对燃烧室进行冷却，并且相应地避免点火爆震。这实现来自压缩机126的更高压缩。由于更多空气输送到发动机，更高的发动机扭矩可以被实现。同样地，点火正时可以被提前以实现更高的发动机扭矩。
水可以响应于在更高发动机负荷下的发动机运转而通过文氏管喷嘴被引入。更高的负荷可以通过诸如藉由被设置在进气歧管进口中的质量空气流量传感器的进入发动机的质量空气流量的确定或来自被设置在进气歧管中的压力传感器的确定和发动机转速密度计算的使用来检测。水也可以响应于来自爆震传感器(诸如发动机振动传感器或被耦接至一个或更多个燃烧室的压力传感器)的点火爆震的检测而被引入。
将水引入到进气歧管的另一发动机运转目的是防止当燃烧室的表面可能足够热以至于在有点火火花来自火花塞之前点燃汽油燃料时的提前点火。另一发动机运转目的是避免响应于增加的扭矩需求(诸如节气门位置的突然改变)的爆震。其他发动机运转目的是：实现期望的发动机稀释，包括稀释剂(诸如水和再循环的排气)的最佳组合；减少氮氧化物的排放；或减少在燃烧之后留在发动机燃烧室中的残余气体。
在图示的示例中，控制装置110以它被集成到发动机控制单元(ECU)内的方式进行体现。例如，控制装置110可以是微型计算机，该微型计算机包含微处理器单元、输入/输出端口、用于可执行程序和校准数值的电子存储介质(例如，只读存储器芯片)、随机存取存储器、保活存储器和数据总线。控制装置110被示为从多个传感器162接收信息，并向多个致动器164发送控制信号。作为一个示例，传感器162可以包括排气传感器、发动机转速传感器、以及被耦接至遍及车辆的各种位置的各种温度和/或压力传感器。作为另一示例，致动器164可以包括燃料喷射器、节流阀112、压缩机126等。控制装置110可以从各种传感器接收输入数据，处理输入数据，以及响应于已处理的输入数据而基于对应于一个或更多个程序被编程在其中的指令或代码触发致动器。控制装置110因此能够致动旁通阀109、节流阀112、排气再循环系统116、涡轮增压器50、以及车辆空气调节系统(AC)114。控制装置110到发动机控制单元内的集成促进了根据车辆需要的水到进气歧管115的引入，因为发动机控制单元确定与水的引入有关的变量(诸如pv和ps)。如果例如更高的增压压力pv或进气管压力ps、高发动机负荷或进气113的高温存在，由于旁通阀109的致动，控制装置110能够致使水到进气歧管115的引入，如关于图3进一步描述的。
图示的设备进一步包含用来制作可用于引入到进气歧管115内的水的部件。排气再循环系统116被布置在内燃发动机103的出口区段中。EGR系统116的EGR冷却器被布置在第二水容器118上方。排气再循环系统116以已知的方式从排气区段119引导排气105的一部分，在EGR冷却器中对这部分进行冷却，并将它引导到进气歧管115内(排气再循环系统116的管路未被图示)。在排气105的该部分的冷却期间，大量水会凝结在EGR冷却器中。排气再循环系统116的EGR冷却器和第二水容器118通过管路被流体地连接，凝结的水可以在重力下通过该管路从排气再循环系统116的EGR冷却器流入第二水容器118。水因此在内燃发动机103的运转期间被供给到第二水容器118。对应地，如果如在示例性实施例中那样排气区段119经由管路或以一些其他方式被流体地连接至水容器118，凝结在排气区段119中的水也能够被供给到水容器118。水从排气区段119的供给也能够利用重力发生。
在图示的设备中，通常的车辆空气调节系统114也被用来制作可用水。在通常的车辆空气调节系统114中，水凝结在空气调节系统蒸发器处。该空气调节系统蒸发器被对应地布置在第二水容器118上方。凝结的水因此能够在重力下流入第二水容器118。
此外，在本示例性实施例中，还存在加注颈部120，如果车辆空气调节系统114、排气再循环系统116的EGR冷却器和排气区段119未供应足够的水，水能够经由所述加注颈部120被供给到第二水容器118内。
第二水容器118的上部区域还配备有溢流管117。以此方式，当达到结构地提供的最大加注水平时，过多的水能够流出。此外，溢流管117构成到周围环境的开口，具有即使从第二水容器118提取水，也能够在第二水容器118中通过空气的流动而设定环境压力pu的结果。
第四管路104和止逆阀108用来将水从第二水容器118供给到第一水容器101内。为此目的，第四管路104被流体的连接至第二水容器118的下部区域和第一水容器101的上部区域。止逆阀以如下方式被布置在第四管路104中：流体(例如，水或空气)能够从第二水容器118流入第一水容器101，但反之则不然。
如果内燃发动机103在吸气运转模式下进行运转，进气歧管115中的压力ps在环境压力pu之下。压力ps也通过第二管路102在第一水容器101中进行设定。因此，第一水容器101中的压力也在环境压力pu之下。环境压力pu借助于溢流管117而呈现于第二水容器118中。如果ps足够远低于pu以克服由于重力的加速器并抵消第一水容器101与第二水容器118之间的高度差，则水可以从第二水容器118流入第一水容器101。止逆阀108允许流体沿该方向流动，并且水因此在第一水容器101中可用于引入到进气歧管115。
如果内燃发动机103在增压运转模式下运转，进气歧管115中和第一水容器101中的压力ps在环境压力pu之上。因此，压力梯度实际上将会通过第四管路104将流体从第一水容器101供给到第二水容器118内。然而，这通过止逆阀108来进行阻止，所述止逆阀108阻止流体沿方向流动。通过第四管路104的进气113的损失因此被防止。
总的来说，所描述的设备制作可用于引入到内燃发动机103的进气歧管115内的水，并且根据车辆需要将它引入到内燃发动机103内。因此，用于发动机的水的引入的优点(例如，燃料消耗的降低)能够被利用。借助于根据本公开的设备，设备的有利地低费用和维护的低费用是可能的。
图2概略地示出了根据本公开的用于提供水以便输送到内燃发动机203的进口区域内的设备的第二示例性实施例。在一些示例中，图2的设备可以被包括在图1的设备中。因此，之前在图1中介绍的相同部件被类似地编号。除内燃发动机203之外，该设备包含一体的进口部件224，所述一体的进口部件224在这里被配置为使得它集成了水容器201和集气室221。在本示例性实施例中，水容器201被布置在集气室221上方。在本示例性实施例中，一体的进口部件224被配置为铝部件。如果流过集气室221的进气213具有比存在于水容器201中的水更高的温度，空气将热传递到水容器201中的水。代替铝，一体的进口部件224在原则上也可以由另一金属或塑料制作。如果一体的进口部件224被制作为塑料零件，它可以具体是注塑成型。
在图2的示例性实施例中描绘的设备还包含节流阀212、进口管道215、水进口207、变换阀209、被配置为浮阀并且被集成在止回阀208中的加注水平阀222、被配置为文氏管喷嘴用于将水引入到通向内燃发动机203的气流内的水进口207、以及在这里被集成在发动机控制单元中的控制装置210。
节流阀212、一体的进口部件224的集气室221、进口管道215和内燃发动机203被布置为使得用于内燃发动机203中的燃料的燃烧的进气213能够流过这些部件进入内燃发动机203。它们因此形成内燃发动机203的空气路径的一部分。止回阀208被连接到供应管路204(例如，图1的第四管路104)，使得来自来源的水223能够流过止回阀208。例如，来源可以是第二水容器(诸如图1的第二水容器118)。替代地，来源可以是例如空气调节系统蒸发器(诸如图1的车辆空气调节系统114的空气调节系统蒸发器)、EGR冷却器(诸如图1的EGR系统116的EGR冷却器)等。此外，止回阀208相对于一体的进口部件224的水容器201被布置为使得水223能够流过止回阀进入水容器201的上部区域，但是空气和水都不能通过止回阀208从水容器201流出进入供应管路204。
加注水平阀222被配置为使得，如果水容器201中的水水平位于阈值值之下，则水223能够流过止回阀208进入水容器201。相应地，当水容器201中的压力低于供应管路204中的压力并且水容器201中的水水平位于阈值值之下时，水223能够从来源流出进入水容器201。
水容器201和进口管道215通过第一管路202(例如，图1的第二管路102)被连接在一起，其中管路202的通向水容器201的末端位于水容器201中的水表面之上。第一管路202构成水容器201与进口管道215之间的允许相同的静态压力ps在水容器201中和在进口管道215中生效(prevail)的连接。为了即使在增压运转中也能够在没有泵的情况下将水从水容器201输送到内燃发动机203的至少在节流阀212下游的空气路径内，这是有用的。在内燃发动机203的自然吸气运转(例如，吸气模式)中，压力ps位于环境压力之下。在这种情况下，水223通常能够从来源流过止回阀208进入水容器201。
在所示出的示例中，水能够被引入到集气室221内。为此，流体连接存在于水容器201与水进口207之间，并且包含变换阀209。在本示例性实施例中，变换阀209被布置在水容器201的下部区域上，使得存在于水容器201中的水能够在重力的影响下流入变换阀209。变换阀209经由第二管路206(例如，图1的第一管路106)被连接到水进口207，所述水进口207通向集气室221。像变换阀209一样，第二管路206是水容器201与水进口207之间的流体连接的一部分。当变换阀209被打开时，存在于水容器201中的水在重力的影响下流入变换阀209，并且从那里流过第二管路206进入水进口207。水进口207中的文氏管效应允许水进入空气213的气流，并且因此经过集气室221和进口管道215进入内燃发动机203。当变换阀209被关闭时，相应地没有水到达内燃发动机203。
控制装置210对变换阀209进行控制。在所示出的示例中，控制装置210被集成在发动机控制单元中。例如，控制装置210可以是微型计算机，该微型计算机包含微处理器单元、输入/输出端口、用于可执行程序和校准数值的电子存储介质(例如，只读存储器芯片)、随机存取存储器、保活存储器和数据总线。控制装置210可以从多个传感器162接收信息(例如，如关于图1的传感器162描述的)，并向多个致动器(包括变换阀209和节流阀212)发送控制信号。控制装置210可以从各种传感器接收输入数据，处理输入数据，以及响应于已处理的输入数据而基于对应于一个或更多个程序被编程在其中的指令或代码触发致动器。由此，发动机控制单元确定水何时被输送到内燃发动机203内。通常，在增压模式(ps>环境压力)中和/或在空气213的高温下，这是有利的。如果例如内燃发动机203在空气213的高温的情况下在这样的增压模式下进行运转，控制装置210接收水输送被请求的信息，如在下面关于图3进一步描述的。然后，控制装置210控制变换阀209使得它打开。相应地，水从水容器201经过变换阀209、第二管路206和水进口207进入集气室221，水在集气室221中与空气213混合并流过进口管道215进入内燃发动机203。
如果水喷射不被期望，控制装置210控制变换阀209使得它被关闭。相应地，则没有水流入内燃发动机203。
在一些示例中，控制装置可以不被集成在发动机控制单元中，而是可以被配置为专用的控制单元，包含其他控制装置，或被集成在其他控制装置中。
取决于结构设计，根据本公开的设备可以在典型的4缸直列式发动机上包含例如集气室和4个进口管道。然而，它可以仅包含集气室或仅包含进口管道。
图3示出了用于经由水输送设备来控制水到发动机系统的内燃发动机的进气装置内的输送的示例方法300。方法300将会参照在图1和图2中描述并示出的设备进行描述，但是应当理解，类似的方法可以被应用于其他系统而不脱离本公开的范围。方法300可以由控制器(诸如图1的控制装置110或图2的控制装置210)执行，并且可以在控制器处作为可执行指令被存储非临时性存储器中。用于执行方法300的指令可以由控制器基于存储在控制器的存储器上的指令并且配合从发动机系统的传感器(诸如在上面参照图1描述的传感器(例如，歧管空气压力和温度传感器))接收的信号来执行。控制器可以根据下面的方法而采用控制水从水容器(例如，图1的第一水容器101或图2的水容器201)通过水进口(例如，图1的水进口107或图2的水进口207)的流动的致动器，诸如，可切换阀(例如，图1的旁通阀109和图2的变换阀209)。
方法300在302处开始，并且包括估计和/或测量发动机工况。发动机工况可以包括歧管空气压力(MAP)、空燃比、火花正时、燃料喷射量或正时、EGR率、质量空气流量(MAF)、歧管充气温度(MCT)、发动机转速和/或负荷、发动机爆震水平等。工况可以利用一个或更多个传感器来测量或基于可用数据来估计。
在304处，确定发动机是否正在增压运转模式下运转。例如，在增压运转模式下运转可以包括MAP比大气压力大至少预定阈值量的(例如，ps比pu大至少阈值量)的指示。
如果发动机未正在增压运转模式下运转(例如，ps不大于pu阈值量)，发动机正在吸气运转模式下运转，那么方法300进入到308，并且包括维持可切换阀关闭并不将水喷射到进气装置(例如，图1的进气歧管115或图2的进口管道215)内。由于可切换阀被关闭，水从水容器通过水进口并进入进气装置的流动被阻止。例如，由于在可切换阀被关闭的情况下缺少跨过水进口的压力梯度(如关于图1描述的)或由于通过关闭的阀的水流动路径的物理堵塞(如关于图2描述的)，流动可以被阻止。在308之后，方法300结束。
发动机在可切换阀被关闭的吸气运转模式下的运转表示水输送设备的如在上面定义的第三状态。在第三状态下，如果水容器与来源之间的压差足以克服重力，水可以从竖直地位于低于水容器的来源(例如，图1的第二水容器118)被输送到水容器。
返回到304，如果确定发动机正在增压运转模式下运转，方法300进入到306，并且包括确定水喷射条件是否满足。在一个示例中，水喷射条件可以包括MCT大于预定阈值温度。此外，水喷射条件可以包括发动机转速或负荷高于阈值。在另一示例中，水喷射条件可以包括排气温度在阈值温度之上。当发动机正在增压运转模式下运转时，可以理解，水喷射条件也可以包括歧管空气压力大于大气压力(例如，如在304处描述的)。
如果水喷射条件不满足，方法300进入到308，并且包括维持可切换阀关闭并不将水喷射到进气装置内，如在上面描述的。发动机在可切换阀被关闭的增压运转模式下的运转表示水输送设备的如在上面定义的第一状态，该第一状态表明不引入水的增压运转模式。
响应于在306处水喷射条件满足，方法300进入到310，并且包括打开(例如，致动打开)可切换阀以向进气装置输送水。发动机在可切换阀打开的增压运转模式下的运转表示水输送设备的如在上面定义的第二状态，该第二状态表明水引入到进气装置内的增压运转模式。由于可切换阀打开，水从水容器通过水进口并进入进气装置的流动被启用。例如，如关于图1描述的，如果可切换阀位于将水进口流体地耦接至进气装置的在节流阀上游的区域的旁通通道内，打开可切换阀产生拉动水通过水进口并进入进气的跨过水进口的压力梯度。如果可切换阀位于水的流动路径内(如关于图2描述的)，打开可切换阀允许水从水容器流过可切换阀并流至水进口以便输送到进气内。在每种情况下，被输送的水量可以通过改变阀打开的程度来控制，其中被输送的水量随着阀打开的程度增加而增加。控制器可以基于发动机工况(例如，MCT)确定阀打开的程度，其中阀打开的程度随着MCT增加而增加。例如，控制器可以利用其中输入为发动机工况的且输出为阀打开的程度的查找表来确定可切换阀打开的程度。作为另一示例，控制器可以基于为相关的发动机工况(例如，MCT、发动机转速/负荷、MAP，排气温度等)的函数的逻辑规则进行逻辑确定(例如，关于可切换阀的位置)。控制器然后可以产生被发送至可切换阀的控制信号。在310之后，方法300结束。
以此方式，提供了用于收集、存储并将水引入到车辆的内燃发动机的进气歧管内的系统和方法。水可以从已经存在于车辆中的各种系统(例如，空气调节系统、EGR系统、排气区段等)被收集，从而减少或消除由车辆操作者的手动加注，并且被存储在至少一个水容器中。另外，水容器可以被导热地连接至进气歧管(诸如一体的进口部件的一部分)，这可以帮助融化结冰的水和/或防止水结冰。水到进气歧管内的引入可以通过重力和跨过水进口(其可以包括文氏管喷嘴)的压力梯度来促进。另外，水通过水进口的流动可以由控制通过可切换阀来控制。因此，水可以在没有水泵的情况下被精确地输送。使用可切换阀的技术效果是用于输送到发动机内的水的流动能够以无泵的方式进行控制，从而减少水输送设备的成本和复杂性。
作为一个示例，提供了一种系统，其包含：内燃发动机，其具有进气歧管；节流阀，其被布置在进气歧管进口与所述内燃发动机之间；水进口，其在所述节流阀的下游被连接至所述进气歧管，并且具有文氏管喷嘴，所述文氏管喷嘴被耦接至被设置在所述水进口上方的第一水容器的下部区域；旁通阀，其被设置在所述进气歧管进口与所述水进口之间；以及控制装置，其被连接至所述旁通阀以依赖于发动机负荷而打开它，从而在所述文氏管喷嘴处引起迫使水进入所述进气歧管的压力下降。在前述示例中，额外地或可选地，所述第一水容器和所述进气歧管以导热的方式被连接。在前述示例中的任一个或全部中，额外地或可选地，所述第一水容器和所述进气歧管被体现为一个集成的部件。在前述示例中的任一个或全部中，所述系统可以额外地或可选地包含用于收集水的第二水容器，所述第二水容器被布置在所述第一水容器下方，其中所述第二水容器具有：在上部区域中，允许压力与大气压力相等的开口；以及下部区域，其经由管路被流体地连接至所述第一水容器的上部区域，其中止逆阀以如下方式被布置在所述管路中：流体能够从所述第二水容器流至所述第一水容器但是不能从所述第一水容器流至所述第二水容器。在前述示例中的任一个或全部中，所述系统可以额外地或可选地包含空气调节系统，其中所述空气调节系统的空气冷却部件被布置在比所述第二水容器更高的点处；以及所述空气调节系统的所述空气冷却部件和所述第二水容器以如下方式被流体地连接至彼此：凝结的水能够从所述空气调节系统的所述空气冷却部件流入所述第二水容器。在前述示例中的任一个或全部中，所述系统可以额外地或可选地包含排气再循环装置，其中所述排气再循环装置的被设计为使水析出的部分被布置在比所述第二水容器更高的点处；以及所述排气再循环装置的被设计为使水析出的所述部分和所述第二水容器以如下方式被流体地连接至彼此：被凝结在所述排气再循环装置的被设计为使水析出的所述部分中的水能够流入所述第二水容器。在前述示例中的任一个或全部中，所述系统可以额外地或可选地包含被布置在比所述第二水容器更高的点处的排气区段，其中所述排气区段和所述第二水容器以如下方式被流体地连接至彼此：被凝结在所述排气区段中的水能够流入所述第二水容器。在前述示例中的任一个或全部中，额外地或可选地，在第一状态下，所述进气歧管中的压力高于环境压力，并且所述控制装置关闭所述旁通阀，具有水不能从所述第一水容器被引入到所述进气歧管内的结果；以及在第二状态下，所述进气歧管中的所述压力高于环境压力，并且所述控制装置打开所述旁通阀，具有水通过所述水进口从所述第一水容器被引入到所述进气歧管内的结果。在前述示例中的任一个或全部中，额外地或可选地，所述控制装置能够将所述设备改变为第三状态，在所述第三状态下所述节流阀下游的压力低于环境压力并且所述旁通阀被关闭，具有水从所述第二水容器被输送到所述第一水容器内的结果。
另一示例系统包含：水容器和内燃发动机的进口区域的元件，所述水容器和所述内燃发动机的所述进口区域的所述元件被导热地连接在一起；第一流体连接和第二流体连接，所述第一流体连接将所述水容器连接至所述内燃发动机的所述进口区域的所述元件以便允许压力平衡，所述第二流体连接将所述水容器连接至被布置在所述水容器之下的高度处的水进口以便将水引入到通向所述内燃发动机的气流内，所述第二流体连接包括变换阀；以及文氏管喷嘴，其被包括在所述进口区域的所述元件中，所述文氏管喷嘴通过所述第一流体连接被连接至所述水容器以向所述发动机输送水。在前述示例中，额外地或可选地，所述内燃发动机的所述进口区域的所述元件包含集气室和/或进口管道。在前述示例中的任一个或全部中，额外地或可选地，所述水容器连同所述内燃发动机的所述进口区域的所述元件一起形成一体的进口部件，并且其中所述一体的进口部件由金属或塑料制作。在前述示例中的任一个或全部中，所述系统可以额外地或可选地包含到所述水容器的供应管路、被布置在所述供应管路中或上的止回阀、和布置在所述供应管路中或上的加注水平阀。
作为另一示例，提供了一种方法，其包含：将水耦接至被连接至发动机的进气歧管的进口阀的文氏管喷嘴；通过旁通阀将空气从被设置在歧管进口中的节气门的上游输送到所述进口阀以降低所述文氏管喷嘴处的压力，使得水流能够进入所述进气歧管；以及致动所述旁通阀达与基于发动机运转目的的燃烧所需的水量有关的持续时间。在前述示例中，额外地或可选地，通过所述文氏管喷嘴向所述发动机输送的水量与发动机负荷有关，并且在防止发动机爆震的运转目的的情况下被确定。在前述示例中的任一个或全部中，额外地或可选地，通过所述文氏管喷嘴向所述发动机输送的水量在防止所述发动机的燃烧室中的提前点火的运转目的的情况下被确定。在前述示例中的任一个或全部中，额外地或可选地，通过所述文氏管喷嘴向所述发动机输送的水量在结合被再循环回到所述进气歧管内的排气实现期望的发动机稀释的运转目的的情况下被确定。在前述示例中的任一个或全部中，额外地或可选地，通过所述文氏管喷嘴向所述发动机输送的水量在减少氮氧化物的排放的运转目的的情况下被确定。在前述示例中的任一个或全部中，额外地或可选地，通过所述文氏管喷嘴向所述发动机输送的水量在减少在燃烧之后留在所述发动机中的残余气体的运转目的的情况下被确定。在前述示例中的任一个或全部中，额外地或可选地，通过所述文氏管喷嘴向所述发动机输送的水量在实现向所述进气歧管输送的期望量的压缩空气以实现期望的发动机扭矩的运转目的的情况下被确定。
注意，本文中包括的示例控制和估计程序能够与各种发动机和/或车辆系统配置一起使用。在本文中所公开的控制方法和程序可以作为可执行指令存储在非临时性存储器中，并且可以由包括与各种传感器、致动器和其他发动机硬件相结合的控制器的控制系统执行。在本文中所描述的具体程序可以代表任意数量的处理策略中的一个或多个，诸如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等。因此，所描述的各种动作、操作和/或功能可以所示顺序、并行地被执行，或者在一些情况下被省略。同样，实现在本文中所描述的示例实施例的特征和优点不一定需要所述处理顺序，而是为了便于图释和说明而提供了所述处理顺序。取决于所使用的特定策略，所示出的动作、操作和/或功能中的一个或多个可以被重复执行。另外，所描述的动作、操作和/或功能可以图形地表示被编程入发动机控制系统中的计算机可读存储介质的非临时性存储器的代码，其中通过配合电子控制器执行包括各种发动机硬件部件的系统中的指令而使所描述的动作得以实现。
应认识到，在本文中所公开的配置和程序本质上是示范性的，并且这些具体的实施例不被认为是限制性的，因为许多变体是可能的。例如，上述技术能够应用于V-6、I-4、I-6、V-12、对置4缸和其他发动机类型。本公开的主题包括在本文中所公开的各种系统和构造和其他的特征、功能和/或性质的所有新颖的和非显而易见的组合和子组合。
以下权利要求具体地指出某些被认为是新颖的和非显而易见的组合和子组合。这些权利要求可能涉及“一个”元件或“第一”元件或其等同物。这些权利要求应当被理解为包括一个或多个这种元件的结合，既不要求也不排除两个或多个这种元件。所公开的特征、功能、元件和/或特性的其他组合和子组合可通过修改现有权利要求或通过在这个或关联申请中提出新的权利要求而得要求保护。这些权利要求，无论与原始权利要求范围相比更宽、更窄、相同或不相同，都被认为包括在本公开的主题内。

Claims (20)

1.一种用于将水引入到内燃发动机的进气歧管内的系统，其包含：
所述内燃发动机，其具有所述进气歧管；
节流阀，其被布置在进气歧管进口与所述内燃发动机之间；
水进口，其在所述节流阀的下游被连接至所述进气歧管，并且具有文氏管喷嘴，所述文氏管喷嘴被耦接至被设置在所述水进口上方的第一水容器的下部区域；
旁通阀，其被设置在所述进气歧管进口与所述水进口之间；以及
控制装置，其被连接至所述旁通阀以依赖于发动机负荷而打开所述旁通阀，从而在所述文氏管喷嘴处引起迫使水进入所述进气歧管的压力下降。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一水容器和所述进气歧管以导热的方式被连接。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一水容器和所述进气歧管被体现为一个集成的部件。
4.根据权利要求1所述的系统，其进一步包含：
用于收集水的第二水容器，所述第二水容器被布置在所述第一水容器下方，其中所述第二水容器具有：
在上部区域中，允许压力与大气压力相等的开口；以及
下部区域，其经由管路被流体地连接至所述第一水容器的上部区域，其中止逆阀以如下方式被布置在所述管路中：流体能够从所述第二水容器流至所述第一水容器但是不能从所述第一水容器流至所述第二水容器。
5.根据权利要求4所述的系统，其进一步包含空气调节系统，其中
所述空气调节系统的空气冷却部件被布置在比所述第二水容器更高的点处；以及
所述空气调节系统的所述空气冷却部件和所述第二水容器以如下方式被流体地连接至彼此：凝结的水能够从所述空气调节系统的所述空气冷却部件流入所述第二水容器。
6.根据权利要求4所述的系统，其进一步包含排气再循环装置，其中
所述排气再循环装置的被设计为使水析出的部分被布置在比所述第二水容器更高的点处；以及
所述排气再循环装置的被设计为使水析出的所述部分和所述第二水容器以如下方式被流体地连接至彼此：被凝结在所述排气再循环装置的被设计为使水析出的所述部分中的水能够流入所述第二水容器。
7.根据权利要求4所述的系统，其进一步包含被布置在比所述第二水容器更高的点处的排气区段，其中所述排气区段和所述第二水容器以如下方式被流体地连接至彼此：被凝结在所述排气区段中的水能够流入所述第二水容器。
8.根据权利要求1所述的系统，其中：
在第一状态下，所述进气歧管中的压力高于环境压力，并且所述控制装置关闭所述旁通阀，具有水不能从所述第一水容器被引入到所述进气歧管内的结果；以及
在第二状态下，所述进气歧管中的所述压力高于环境压力，并且所述控制装置打开所述旁通阀，具有水通过所述水进口从所述第一水容器被引入到所述进气歧管内的结果。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述控制装置能够将所述系统改变为第三状态，在所述第三状态下所述节流阀下游的压力低于环境压力并且所述旁通阀被关闭，具有水从被布置在所述第一水容器下方的第二水容器被输送到所述第一水容器内的结果。
10.一种用于将水引入到内燃发动机内的系统，其包含：
水容器和所述内燃发动机的进口区域的元件，所述水容器和所述内燃发动机的所述进口区域的所述元件被导热地连接在一起；
第一流体连接和第二流体连接，所述第一流体连接将所述水容器连接至所述内燃发动机的所述进口区域的所述元件以便允许压力平衡，所述第二流体连接将所述水容器连接至被布置在所述水容器之下的高度处的水进口以便将水引入到通向所述内燃发动机的气流内，所述第二流体连接包括变换阀；以及
文氏管喷嘴，其被包括在所述进口区域的所述元件中，所述文氏管喷嘴通过所述第一流体连接被连接至所述水容器以向所述内燃发动机输送水。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述内燃发动机的所述进口区域的所述元件包含集气室和/或进口管道。
12.根据权利要求10所述的系统，其中所述水容器连同所述内燃发动机的所述进口区域的所述元件一起形成一体的进口部件，并且其中所述一体的进口部件由金属或塑料制作。
13.根据权利要求10所述的系统，其进一步包含到所述水容器的供应管路、被布置在所述供应管路中或上的止回阀和布置在所述供应管路中或上的加注水平阀。
14.一种用于将水引入到发动机的进气歧管内的方法，其包含：
将水耦接至被连接至所述发动机的所述进气歧管的进口阀的文氏管喷嘴；
通过旁通阀将空气从被设置在歧管进口中的节气门的上游输送到所述进口阀以降低所述文氏管喷嘴处的压力，使得水流能够进入所述进气歧管；以及
致动所述旁通阀达到一持续时间，该持续时间与基于发动机运转目的的燃烧所需的水量有关。
15.根据权利要求14所述的方法，其中通过所述文氏管喷嘴向所述发动机输送的水量与发动机负荷有关，并且在防止发动机爆震的运转目的的情况下被确定。
16.根据权利要求15所述的方法，其中通过所述文氏管喷嘴向所述发动机输送的水量在防止所述发动机的燃烧室中的提前点火的运转目的的情况下被确定。
17.根据权利要求15所述的方法，其中通过所述文氏管喷嘴向所述发动机输送的水量在结合被再循环回到所述进气歧管内的排气实现期望的发动机稀释的运转目的的情况下被确定。
18.根据权利要求15所述的方法，其中通过所述文氏管喷嘴向所述发动机输送的水量在减少氮氧化物的排放的运转目的的情况下被确定。
19.根据权利要求15所述的方法，其中通过所述文氏管喷嘴向所述发动机输送的水量在减少在燃烧之后留在所述发动机中的残余气体的运转目的的情况下被确定。
20.根据权利要求15所述的方法，其中通过所述文氏管喷嘴向所述发动机输送的水量在实现向所述进气歧管输送的期望量的压缩空气以实现期望的发动机扭矩的运转目的的情况下被确定。
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