CN107023363B - 用于缸内热能回收和控制汽缸温度的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及用于缸内热能回收和控制汽缸温度的系统和方法。提供了用于缸内热能回收装置的方法和系统，其利用兰金循环从排气中回收能量，该能量可用于在车辆中产生额外的功。在一个示例中，一种方法可以包括用管阵列来配备发动机的每个汽缸的盖区域，该管阵列包括穿过相应汽缸的燃烧室的一个或多个管。每个管阵列可以接收工作流体的喷射，该工作流体的喷射部分地基于管阵列的相应汽缸的温度，然后喷射的工作流体可以用于回收热能。

Description

用于缸内热能回收和控制汽缸温度的系统和方法
技术领域
本说明书总体上涉及用于从机动车辆的燃烧汽缸的排气中回收热能的方法和系统。
背景技术
内燃发动机通过在发动机的燃烧室内燃烧化石燃料而产生动力(例如，机械功)。在燃烧期间，所产生的热排气用于在其膨胀时驱动活塞和/或执行车辆中的其它工作。然后，热排气在离开进入大气之前通过车辆的排气系统行进。燃烧化石燃料的副产物是热。位于化石燃料化学键中的仅一小部分能量用于向前推进机动车辆，并且大部分能量以不可用的熵热的形式损失到环境中。化石燃料在燃烧室内的燃烧以重复和循环的方式发生，因此可以被认为是一种热力循环。当热量作为副产物产生时(例如，燃烧)，通过回收和随后利用在燃烧循环的一个或多个步骤期间所产生的热量，可以从内燃发动机中的排气中回收热能，以便提高燃料经济性。
作为一个示例，用于在内燃发动机中从排气中回收和利用废热能的方法可以包括利用底循环(bottoming cycle)，诸如兰金循环(Rankine Cycle)，以从燃烧期间产生的排气的熵热中产生机械功或电功率，本文称为功(work)。具体地，排气的废热可以被传递到工作流体以产生可用于在机动车辆内产生功的蒸汽，从而提高燃料经济性。然后将工作流体蒸汽冷凝成液体形式以重新进入并开始热力学兰金循环。一种示例方法由Gleich等人在德国专利申请No.201210015927中示出。其中，Gleich公开了一种安装在燃烧汽缸套中的废气热交换器，其中该汽缸套包含工作流体，该工作流体可以以兰金循环方式转化成蒸汽以在车辆中产生功。
然而，本文的发明人已经认识到此类系统的潜在问题。作为一个示例，根据车辆的工况，汽缸具有彼此不同的温度，并且当一个或多个汽缸已经处于相对冷的温度时，经由每个汽缸套中的相同量的工作流体均匀地冷却汽缸，可以具有对燃烧效率和燃料经济性的负面效应。
发明内容
在一个示例中，上述问题可以通过一种方法来解决，该方法包括基于发动机汽缸的温度，将流体单独地(individually)喷射到管阵列(tube arrays)的多个管中，其中多个管中的每个管在发动机汽缸的盖区域中穿过相应发动机汽缸的燃烧室；以及在所喷射的流体通过每个管之后从所喷射的流体中回收热能。以这种方式，流体，其在本文中可以被称为工作流体，可以通过排气中的废热从液体转化为气体状态，以便在机动车辆中以一种适合于每个单独的燃烧汽缸的方式做额外的功，从而提高燃烧效率和燃料经济性。
作为一个示例，控制器可以用于监测每个燃烧汽缸的温度，并且可以修改喷射到相应的发动机汽缸中的流体的量和/或正时，使得汽缸的温度保持在阈值燃烧范围内。例如，如果发动机汽缸比其对应物更热地运行，则更多的流体可以被喷射到穿过该汽缸的管道中以帮助将其冷却。另选地，如果特定的发动机汽缸在温度阈值以下运行，则可以将更少或没有流体喷射到穿过该汽缸的管道中，以便增加汽缸的温度并使其与发动机的其他汽缸同等。
当单独地或结合附图理解时，从下面的具体实施方式中，本说明书的上述优点和其它优点以及特征将是显而易见的。
应当理解，提供以上发明内容以简化形式介绍在具体实施方式中进一步描述的概念的选择。这并不意味着确定所要求保护的主题的关键或必要特征，其范围由与具体实施方式随附的权利要求唯一地限定。此外，所要求保护的主题不限于解决上面或本公开的任何部分中提到的任何缺点的实施方式。
附图简述
图1是车辆中的发动机系统的框图。
图2示出了示例缸内热能回收系统。
图3示出了说明响应于发动机工况，以兰金循环方式利用流体喷射器和缸内热能回收系统的方法的流程图。
图4示出了说明各个发动机汽缸温度和流体喷射量之间的关系的曲线图。
具体实施方式
以下描述涉及用于从发动机系统诸如图1所示的发动机系统中的排气回收废热的系统和方法。图2示出了在车辆内用于将排气中的废热转化为功的示例装置。如图2所示，燃烧汽缸，在本文中称为汽缸，可以配备有位于汽缸的盖区域中的管阵列，管阵列然后可以经由位于汽缸上游的流体喷射器接收流体喷射。如图2所示，管阵列可以通过管阵列的壁与缸内燃烧期间所产生的排气的热量进行热传递，然后所喷射的流体可以通过直接周围环境的环境热量而蒸发。然后，蒸发的流体可用于在经历冷凝和重新进入管阵列之前在车辆内完成额外的功。图3示出了说明用于响应于单独汽缸温度和车辆工况来控制喷射到发动机的每个汽缸中的流体(例如，工作流体)的量的方法的流程图。图3的流程图进一步示出了所喷射的流体如何可以从排气中虹吸废热以便在车辆中完成额外的功。图4的曲线图示出了所述实施例的流体(例如，工作流体)如何可以用于控制发动机汽缸温度。具体地，图4示出了特定汽缸的温度与喷射到特定汽缸中的流体体积之间的反比例关系。以这种方式，将流体喷射到经过发动机的汽缸的管阵列中可以实现两个目的：从排气的废热提取额外的功，以及单独地监测和调节各个汽缸温度，从而提高燃料经济性。
图1示意性地示出了多缸发动机10的一个汽缸，其可以包括在汽车的推进系统中。发动机10可以被包括控制器12的控制系统以及来自车辆操作者132经由输入装置130的输入至少部分地控制。在该示例中，输入装置130包括加速器踏板和用于产生比例踏板位置信号PP的踏板位置传感器134。车辆可以包括离合器135。在一个示例中，发动机10可以被控制器12和经由离合器踏板133和离合器踏板传感器131来自车辆操作者132的输入至少部分地控制。控制器12的一个输入可以来自离合器踏板传感器131。离合器踏板传感器131感测离合器踏板133的位置。离合器踏板133的位置确定离合器135的接合状态。在本说明书中给出的示例中使用离合器踏板状态，因为其是描述监测离合器的接合状态的一种方便方式。然而，应当理解，为代替感测离合器踏板位置，可以使用其他方法来监测和提供离合器接合状态的反馈。在另一示例中，离合器135可以是自动离合器。由此，控制器12可以基于发动机工况发送信号以将离合器135致动到不同位置。如下面进一步解释的，离合器135可以包括离合器致动器，该离合器致动器利用由另一元件(诸如耦接到涡轮的轴，如图2所示)产生的旋转功率以致动和移动离合器135。
发动机10的燃烧室(即，汽缸)30可以包括燃烧室壁32，其中活塞36位于其中。在一些实施例中，在汽缸30内的活塞36的面可以具有碗状部分。活塞36可耦接到曲轴40，使得活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动。曲轴40可以经由中间变速器系统耦接到车辆的至少一个驱动轮。进一步地，起动机马达可以经由飞轮耦接到曲轴40，以实现发动机10的起动操作。更进一步地，曲轴40可以由来自本实施例的蒸汽提供动力，在随后的附图中将进一步详细描述。
燃烧室30可以经由进气通道42从进气歧管44接收进气，并且可以经由排气通道48排出燃烧气体。进气歧管44和排气通道48能够经由相应的进气门52和排气门54选择性地与燃烧室30连通。在一些实施例中，燃烧室30可包括两个或更多个进气门和/或两个或更多个排气门。
进气门52可由控制器12经由电动气门致动器(EVA)51控制。类似地，排气门54可由控制器12经由EVA 53控制。另选地，可变气门致动器可以是电动液压或任何其它可想到的机构以实现气门致动。在一些情况下，控制器12可以改变提供给致动器51和致动器53的信号，以控制相应的进气门和排气门的打开和关闭。进气门52和排气门54的位置可以分别由气门位置传感器55和气门位置传感器57确定。在另选的实施例中，进气门和排气门中的一个或多个可以由一个或多个凸轮致动，并且可以利用凸轮轮廓变换(CPS)系统、可变凸轮正时(VCT)系统、可变气门正时(VVT)系统和/或可变气门升程(VVL)系统中的一个或多个以改变气门操作。例如，汽缸30可代替地包括经由电动气门致动所控制的进气门和经由包括CPS和/或VCT的凸轮致动所控制的排气门。
燃料喷射器66被示出直接耦接到燃烧室30，用于与从控制器12所接收的信号FPW的脉冲宽度成比例地直接喷射燃料。以这种方式，燃料喷射器66提供所谓的燃料的直接喷射到燃烧室30中。例如，燃料喷射器66可以安装在燃烧室的侧部或燃烧室的顶部。燃料可以由包括燃料箱、燃料泵和燃料轨的燃料系统(未示出)输送到燃料喷射器66。
点火系统88能够在选择的操作模式下响应于来自控制器12的点火提前信号SA，经由火花塞92向燃烧室30提供点火火花。虽然示出了火花点火部件，但是在一些实施例中，发动机10的燃烧室30或一个或多个其它燃烧室，可以在具有或不具有点火火花的情况下用压缩点火模式操作。根据本实施例，燃烧室可以包含额外部件并且用与所述实施例相关的在随后的附图描述中可找到的新颖方法使用那些部件。
进气通道42或进气歧管44可包括具有节流板64的节气门62。在该具体的示例中，节流板64的位置或节气门开度可由控制器12经由提供给节气门62所包括的电动马达或致动器(通常被称为电子节气门控制(ETC)的配置)的信号而改变。以这种方式，可以操作节气门62以改变提供给燃烧室30以及其他发动机汽缸的进气。节流板64的位置可以通过节气门位置信号TP提供给控制器12。进气通道42可以包括质量空气流量传感器120和歧管空气压力传感器122，用于向控制器12提供相应的信号MAF和MAP。
进一步地，排气再循环(EGR)系统可以将排气的期望部分从排气通道48传送到进气歧管44。在该示例中，示出了高压(HP)EGR通道140。提供给进气歧管44的EGR量可以由控制器12经由HP EGR阀142而改变。进一步地，EGR传感器144可以布置在HP EGR通道140内，并且可以提供排气的压力、温度和浓度中的一个或多个的指示。另选地，可以通过根据来自MAF传感器(上游)、MAP(进气歧管)、MAT(歧管气体温度)和曲柄转速传感器的信号计算的值控制EGR流量。进一步地，可基于排气O2传感器和/或进气氧传感器(进气歧管)来控制EGR流量。在一些条件下，EGR系统可以用于调节燃烧室内的空气和燃料混合物的温度和/或汽油微粒过滤器(未示出)附近的温度。尽管图1示出了高压EGR系统，但是可以额外地或另选地使用低压EGR系统。在低压EGR系统中，EGR可以从涡轮增压器的涡轮的下游传送到涡轮增压器的压缩机的上游，如图1所示。
由此，发动机10进一步可包括压缩装置，诸如涡轮增压器或机械增压器，其至少包括沿进气歧管44布置的压缩机162。对于涡轮增压器，压缩机162可由沿排气通道48布置的涡轮164(例如，经由轴)至少部分地驱动。对于机械增压器，压缩机162可以由发动机10和/或电机至少部分地驱动，并且可以不包括涡轮。因此，经由涡轮增压器或机械增压器提供给发动机的一个或多个汽缸的压缩量可以由控制器12而改变。
排气传感器126被示出耦接到排放控制装置(ECD)70上游的排气通道48。排气传感器126可以是用于提供排气空气/燃料比的指示的任何合适的传感器，诸如线性氧传感器或UEGO(通用或宽域排气氧传感器)、双态氧传感器或EGO、HEGO(加热型EGO)和NOx、HC或CO传感器。在一些实施例中，排气传感器126可以与氧传感器(未示出)和/或温度传感器(未示出)结合使用。
排放控制装置(ECD)71被示出为沿着排气传感器126下游的排气通道48布置。ECD71包括三元催化转化器(TWC)、汽油微粒过滤器(GPF)，并且可以可选地包括一个或多个传感器，诸如压力传感器或温度传感器。
控制器12在图1中作为微型计算机示出，其包括微处理器102、输入/输出端口104、在该具体的示例中示为只读存储器106的用于可执行程序和校准值的电子存储介质(例如，计算机可读的)、随机存取存储器108、不失效存储器110和数据总线。除了先前讨论的那些信号之外，控制器12可以从耦接到发动机10的传感器接收各种信号，包括来自质量空气流量传感器120的进气质量空气流量(MAF)的测量；来自耦接到冷却套管114的温度传感器112的发动机冷却剂温度(ECT)；来自耦接到曲轴40的霍尔效应传感器118(或其它类型)的表面点火感测信号(PIP)；来自节气门位置传感器的节气门位置(TP)或节气门开度；以及来自压力传感器122的绝对歧管压力信号MAP。发动机速度信号RPM可以由控制器12从信号PIP产生。来自歧管压力传感器的歧管压力信号MAP可用于提供进气歧管中的真空或压力的指示。注意，可以使用上述传感器的各种组合，诸如没有MAP传感器而有MAF传感器，反之亦然。在化学计量操作期间，MAP传感器能够给出发动机扭矩的指示。进一步地，该传感器与检测到的发动机转速一起能够提供进入汽缸的充气(包括空气)的估计。在一个示例中，也用作发动机转速传感器的传感器118可以在曲轴每转一周产生预定数量的等间隔脉冲。控制器12从图1的各种传感器接收信号，并且基于所接收的信号和存储在控制器的存储器上的指令采用图1的各种致动器调整发动机操作。
存储介质只读存储器106能够被编程有计算机可读数据，所述计算机可读数据表示可由微处理器102执行以用于进行本文所述的方法以及可预期但未具体列出的其它变体的指令。如上所述，图1仅示出多缸发动机的一个汽缸，并且每个汽缸可以类似地包括其自身的一组进气门/排气门、燃料喷射器、火花塞等。
图2示出了内燃发动机中的内燃汽缸的一部分，其包括本实施例的改进的汽缸并且随附缸内热能回收系统200的部件。在一些示例中，本文所述的缸内热能回收系统200的改进的汽缸可以是图1的汽缸30。因此，图2所示的汽缸215可以用在图1所示的发动机100中。
如图2所示，缸内热能回收系统200包括泵204、功输入202、流体喷射器206、进气门208、排气门212、管阵列210、燃烧室214、汽缸215、活塞216、温度传感器217、热输入218、管道220、热梯度222、涡轮224、热梯度226、轴228、发动机部件230、功输出232、冷凝器234、冷却剂管236、热输出238、热梯度240和冷凝物242。
图2示出了已经被修改以与内燃发动机一起工作的兰金循环的示例。兰金循环是将热量转化为机械功的热力发动机(例如，内燃发动机)的理想化的热力循环。热量从外部供应到闭合回路，该闭合回路通常使用水作为工作流体。在图2中，热量通过燃烧室214中的排气从外部供应到闭合回路，即管道220。兰金循环的效率受到工作流体的高蒸发热量的限制。虽然图2的工作流体是水，但可替换实施例中的工作流体在性质上可以是有机的。在兰金循环中的工作流体，在本文中有时称为流体，经由管道220遵循闭合回路，并且被不断地重复使用。兰金循环可以被细分为四个过程，在图2中被标示为功输入202、热输入218、功输出232和热输出238。
观察图2，兰金循环的第一过程从功输入202开始，并且示例性地被描绘为“W泵”。作为一个示例，控制器207(诸如图1所示的控制器12)致动泵204，以操作工作流体和泵送工作流体通过缸内热能回收系统200的管道220，并且到达流体喷射器206。工作流体的冷凝物242在管道220内从低压泵送到高压。由于在该阶段流体是液体，所以泵需要很少的输入能量。工作流体从泵204向下游泵送到流体喷射器206，从而结束兰金循环的第一过程(即，功输入202)，并开始第二过程(即，热输入218)。在该实施例中，发动机的每个汽缸215(在图2中仅示出一个)配备有至少一个流体喷射器206。另外，每个汽缸215包括管阵列210，其中每个管阵列包括穿过汽缸215的燃烧室214的一个或多个管。例如，每个管阵列210可以包括穿过汽缸215的内部的平行管阵列。用于每个汽缸的流体喷射器206可以耦接到用于相应汽缸215的管阵列210(使得来自流体喷射器206的工作流体穿过汽缸215内的管阵列210中的一个或多个管的内部)。
流体喷射器206根据相应汽缸的温度和发动机工况，将工作流体喷射到管阵列210中。例如，控制器207可以致动流体喷射器206，以将工作流体喷射到管阵列210中。控制器207可以基于汽缸215的温度(基于在控制器207处所接收的温度传感器217的输出所确定的)，经由流体喷射器206调整用于汽缸215的单独喷射的流体的正时和量。例如，对于多个汽缸，每个汽缸包括其自身的管阵列210和流体喷射器206，控制器可以基于每个单独汽缸的温度，经由每个流体喷射器206的单独致动，单独地调整喷射到每个管阵列210中的流体的正时和量。
流体喷射器206可在汽缸215的排气冲程开始时将流体喷射到汽缸215的相应管阵列210中。本领域技术人员已知，在排气冲程开始时，燃烧室214充满排气且活塞216处于下止点(BDC)。当排气冲程继续时，排气门212打开(同时进气门208保持关闭)，并且活塞216朝向上止点(TDC)上升。当排气被活塞216压缩并被引导向打开的排气门212时，其与管阵列210的一个或多个管的外壁接触。结果，在汽缸215的燃烧室214内，热排气加热穿过管阵列210的一个或多个管的内部的工作流体。流体喷射器206可以不开始将流体喷射到其相应的汽缸215管阵列210中，直到发动机已经达到阈值温度之后。每个流体喷射器206可以由控制器207诸如图1的发动机控制器12单独地致动和/或监测。概括地说，控制器监督允许将不同量的工作流体(例如，经由脉冲宽度调制)喷射到穿过每个汽缸215的每个管阵列中，以及单独地控制每个汽缸215处的工作流体喷射(定时和体积量)的能力。控制在每个汽缸215处喷射的工作流体的量，允许控制器监测和控制各个汽缸温度。例如，如果汽缸215燃烧太热(如由温度传感器217报告给发动机控制器207)，作为响应，控制器可以向流体喷射器206发送信号以更频繁地喷射更多流体，直到汽缸的温度下降到预定温度阈值以下。一旦工作流体通过流体喷射器206以雾化液体的形式释放，其向下游行进到管阵列210和汽缸215。
管阵列210可以位于汽缸215的盖区域(例如，最顶部区域)中，靠近进气门208和/或排气门212。管阵列210是管道220的子部分，因此管阵列210耦接到在汽缸215的任一侧上的管道220。如上所述，管阵列210可以包括多个管，其中多个管中的每个管穿过相应的发动机汽缸215的燃烧室214。对于每个汽缸215，存在至少一个管阵列210，其具有至少一个相应的流体喷射器206。管阵列210可以用于输送工作流体，并且用作燃烧室214中的排气的废热与管阵列210中的工作流体之间的热交换器。应当理解，管阵列210的管道经由壁与汽缸215的燃烧室214分离，使得工作流体决不与汽缸215的空气燃料混合物直接接触。管阵列210可以在横截面体积和形状上是一致的，或者它可以表现为具有最佳回收废热效率的各种几何构型。例如，管阵列210可具有围绕排气门212的较大表面面积，以便从排气中虹吸更多的废热到工作流体。此类构型可以允许在处于其峰值温度的排出排气和位于管阵列210壁的内部的工作流体之间交换更多的热量，这又允许从排气的废热中产生更多的功(将在下面进一步详细讨论)。
概括地说，观察图2，兰金循环的第二过程可以通过热输入218来描绘，说明性地表示为“Q输入”。在热输入218期间，来自包含在燃烧室214中的排气的废热通过管阵列210的壁传导性地传递到壁内的工作流体。接着，所喷射的雾化的工作流体由于周围区域中的热量增加经历相变，从高压液体变为干饱和蒸汽，然后朝燃烧室214的下游离开到达管道220。
一旦在管道220中，干饱和蒸汽继续朝向上游涡轮224流动。在沿着管道220朝向涡轮224行进的同时，由于热梯度222所示的对流/传导，蒸汽可以经历温度降低。应当理解，尽管蒸汽在其朝向涡轮224移动时可以失去其一部分热量，但是蒸汽不会恢复到液态，而是保持能够产生功的蒸发状态。
一旦处于其干饱和蒸汽状态的工作流体到达涡轮224，则可开始兰金循环的第三过程。第三过程，参见图2作为功输出232，并且说明性地描绘为“W涡轮”，表示所回收的热能到功输出的转化。随着工作流体的蒸汽膨胀通过涡轮224，其引起涡轮224旋转，从而旋转轴228并产生可用于功(例如，功率)的旋转能量(例如，扭矩)。轴228耦接到发动机部件230。发动机部件230表示发动机(诸如图1的发动机100)中能够利用旋转能量的部件，其中“利用旋转能量”是指发动机部件230可以应用所回收的能量以执行和/或补充操作。在一个实施例中，发动机部件230可以是曲轴、交流发电机或离合器，诸如图1的曲轴40和离合器135。
返回图2，当处于其蒸发状态的工作流体通过涡轮224膨胀时，蒸汽的温度和压力可以降低，并且可能发生一些冷凝。温度和压力的降低可以沿着热梯度226以连续的方式发生。一旦工作流体已经顺利地到达涡轮224的末端部分，则其离开涡轮224并且重新进入管道220。然后工作流体行进通过管道220以离开在冷凝器234的最顶部分处的相对孔口。在冷凝器234处，发生兰金循环的第四过程，其称为热输出238，并且示例性地描述为“Q输出”。在兰金循环的热输出238阶段期间，处于湿蒸气状态的工作流体进入冷凝器234，在那里其在恒定压力下经由冷却剂管236被冷凝，以返回到其初始饱和液体状态(例如冷凝物242)。工作流体的温度的降低可以沿着冷凝器234的热梯度240发生。在冷凝到冷凝物242之后，工作流体可以通过管道220的另一部分离开冷凝器234，在那里其朝向泵204行进以重新开始兰金循环。
以这种方式，来自排气的废热可以用于在车辆中的其他地方产生功，从而提高燃料经济性。此外，可以经由温度传感器217、控制器和流体喷射器206监测和调节各个汽缸温度，这可以增加部件的耐久性。
图1至图2示出了具有各种部件的相对定位的示例构型。至少在一个示例中，如果显示为彼此直接接触或直接耦接，则此类元件可以分别被称为直接接触或直接耦接。类似地，至少在一个示例中，显示为彼此邻接或相邻的元件可以分别是彼此邻接或相邻的。作为示例，彼此共面接触的部件可以被称为共面接触。作为另一个示例，在至少一个示例中，被定位彼此分开且在彼此之间仅具有空间且没有其它部件的元件可以被同样地称呼。
转向图3，示出用于调整和操作缸内热能回收系统(诸如图2所示的缸内热能回收系统200)的方法300。用于执行方法300的指令可以由控制器(诸如图1所示的控制器12和/或图2所示的控制器207)基于存储在控制器的存储器上的指令并结合从发动机系统的传感器(诸如上面参照图1至图2所描述的传感器)所接收的信号而执行。根据下面描述的方法，控制器可以采用发动机系统的发动机致动器(例如，诸如流体喷射器的致动器，诸如图2所示的流体喷射器206)以调整发动机操作。图3从302开始，其中估计和/或测量发动机工况。估计和/或测量发动机工况可以包括处理来自缸内热能回收系统内部和/或外部的传感器的输入数据，确定发动机温度、汽缸温度，确定车辆是否处于巡航控制，确定车辆是否正在加速/减速，确定车辆是否处于冷启动条件等。例如，发动机工况可以包括发动机转速和/或负载、环境温度、发动机温度、各个汽缸温度等。
在304，该方法包括确定是否满足流体喷射的条件。如上面参考图2所述，缸内热能回收系统的工作流体经由相应的流体喷射器，以时间和体积控制的方式被释放到单独的发动机汽缸的管阵列中。如果单独汽缸的温度不够高以致工作流体通过管阵列蒸发是可能的，则控制器可以确定用于流体喷射到该汽缸的管阵列中的条件没有满足，并且该方法进行到306。例如，在304处的方法可以包括针对每个汽缸确定汽缸温度是否大于阈值，其中阈值基于工作流体可以被蒸发并用于能量回收的值。
在306处，该方法包括维持发动机操作并且不将流体喷射到汽缸的管阵列中。汽缸将继续如其通常将经历本领域技术人员已知的四个燃烧步骤而起作用，并且不接收到该汽缸的相应管阵列中的工作流体喷射。例如，燃料可以经由燃料喷射器被喷射到汽缸内，而没有工作流体可以经由相应的流体喷射器而被喷射到穿过汽缸的管阵列中。控制器可以经由位于汽缸中、汽缸上和/或汽缸附近的温度传感器连续地监测汽缸的温度，以查看是否满足用于流体喷射的条件。应当理解，每个汽缸单独地被监测温度，并且如下所述，由控制器单独地评估。例如，发动机中的一个汽缸可能不满足流体喷射的条件，而其余汽缸则满足。在该示例中，不满足流体喷射条件的一个汽缸可以在其相应的管阵列中不接收工作流体，而其余的汽缸在其相应的管阵列中接收定制量的工作流体。汽缸将继续维持发动机操作并且抑制经由流体喷射器进行流体喷射，直到满足流体喷射的条件。一旦满足流体喷射的条件，则该方法进行到308。
在308，该方法包括确定流体喷射正时和喷射量。如前所述，位于各个汽缸处的流体喷射器被单独地监测和致动。流体喷射器将工作流体的雾化液滴释放到相应汽缸的管阵列中，并且根据发动机工况，在每个汽缸处释放的液体的正时和液体的量可以变化。调整所喷射的工作流体的正时和量可以包括随着发动机汽缸的温度增加而增加所喷射的流体的量。例如，温度传感器可以向控制器转发汽缸的温度正在攀升。作为响应，控制器可以用信号通知该汽缸的流体喷射器，以与温度成比例的方式释放更多的流体。喷射到相应的汽缸管阵列中的工作流体的增加量可从汽缸虹吸走更多的热量，从而调节和/或控制汽缸和/或燃烧温度。调整所喷射的流体量还可以包括调整行进到流体喷射器的脉冲宽度调制(例如，数字信号)。此外，调整所喷射的流体的正时和量可以包括响应于发动机爆震和/或冷启动条件的指示中的一个或多个，从发动机汽缸的排气冲程延迟喷射正时。例如，响应于发动机爆震(例如，自动点火)的指示，流体喷射可以在汽缸的压缩冲程(而不是排气冲程)期间提前发生。一旦控制器已经确定了通过每个相应的流体喷射器在每个汽缸处喷射到管阵列中的工作流体的量和时间，则方法前进到310。
在310，该方法包括将工作流体喷射到管阵列中。响应于发动机工况，控制器可以在每个符合条件的汽缸的排气冲程开始(或在308所确定的正时)时，用信号通知一个或多个流体喷射器以雾化液体形式喷射工作流体。由于汽缸以时间交错方式用一定的点火顺序工作，工作流体将以时间交错的方式并根据发动机的点火顺序被喷射到所有符合条件的汽缸中，从而产生或多或少的稳定蒸汽流，以使用其做功。例如，六缸发动机的每个汽缸可能都符合流体喷射。汽缸可以都在相同的温度阈值内操作，并且因此可以接收相同量的工作流体喷射。在每个汽缸的排气冲程开始时，工作流体可以经由流体喷射器以雾化液体状态喷射到相应汽缸上方的管阵列中，在管阵列中通过传导性废热将液体蒸发。虽然每个汽缸可以在不同的时间点产生蒸汽，但是用以产生蒸汽的交错方式生成了相对稳定的蒸汽流，以行进通过缸内热能回收系统的其余部分来做功。已经将工作流体喷射相应的管阵列后，该方法前进到312。
在312，该方法包括一旦工作流体已经经由管阵列离开汽缸时从该工作流体回收能量。从工作流体回收能量可以包括经由管道将工作流体引导到涡轮。蒸汽形式的工作流体可以因此旋转涡轮，诸如图2的涡轮224。因此，来自曾用于将工作流体蒸发成蒸汽的排气的能量被用于推进涡轮并产生可用于功的旋转能量(例如，扭矩)。如先前公开的，功可以具有机械的或电能的形式，并且可以用于给多个发动机部件提供功率或补充多个发动机部件(诸如曲轴或离合器)。已经从蒸汽形式的工作流体回收能量以做功后，方法进行到314。
在314，该方法包括将所回收的能量应用到一个或多个发动机部件。例如，从涡轮回收的旋转能量可以被传递到发动机中的另一个机械的或电气的部件。作为一个示例，所回收的旋转能量可以用于操作发动机的曲轴和/或离合器。在另一示例中，所回收的能量可以用于操作交流发电机以产生电力。由此产生的电力可以用于抵消辅助电负载，进而通过减少发动机上的寄生负载而提高燃料经济性。
以这种方式，车辆控制器可以确定在哪些发动机工况期间，可以有效地将工作流体释放到布置在相应汽缸的盖区域内的管阵列中。控制器可以同时估计和/或测量多个汽缸温度，以确定在每个单独的汽缸处所喷射(或不喷射)的流体的量和正时。控制器然后可以在不同的时间将定制量的工作流体释放到相应的汽缸，以便从工作流体产生蒸汽，以使用该蒸汽做功。
转向图4，示出了示出各个发动机汽缸温度和流体喷射量之间的关系的曲线图。沿着x轴观察，可以看到标题“时间→”，其指示沿着x轴从左到右前进地表示时间。沿着曲线图的y轴观察，可以看出，在两个不同的变量下示出了两个汽缸。也就是说，示出了在汽缸1和汽缸2中的每一个处所喷射的工作流体量和汽缸1和汽缸2中的每一个的温度。这些变量在其相应的汽缸中的量与其在沿着x轴的位置所限定的特定时间处的在y轴上的位置成比例(其中对于温度或工作流体量中任一者，更大的y轴值等于更大量的变量)。概括地说，第一汽缸的温度表示为汽缸1温度。该第一汽缸的温度随时间的变化由线402描绘。喷射到同一第一汽缸的管阵列中的工作流体量被描绘为汽缸1流体。喷射到该第一汽缸的管阵列中的工作流体量随时间的变化由线404描绘。第二汽缸的温度被描绘为汽缸2温度。该第二汽缸的温度随时间的变化由线406描绘。喷射到同一第二汽缸的管阵列中的工作流体量被描绘为汽缸2流体。喷射到该第二汽缸的管阵列中的工作流体量随时间的变化由线408描绘。
返回图4，并且观察线402和线404，可以看出喷射到第一汽缸的管阵列中的工作流体的量与同一汽缸的温度(例如，热量)成比例。在图4中作为T1所表示的时间点，可以看出第一汽缸的温度随着时间接近T1而增加，则喷射到该汽缸的管阵列中的工作流体量也增加。应当理解，虽然喷射到汽缸管阵列中的工作流体量与相应的汽缸温度之间的关系是成比例的，但是温度的增加可以引起工作流体喷射的增加，而不是相反。也就是说，汽缸温度的增加可以使发动机控制器致动流体喷射器，以增加喷射到该汽缸中的工作流体的量。换句话说，控制器可以增加工作流体喷射，以便减小汽缸温度和响应于汽缸温度增加。如前所述，待喷射的工作流体量由发动机工况确定。工作流体可以用于经由从排气中虹吸废热来从汽缸移除热量。在T1，由线402表示的第一汽缸(即，汽缸1)的温度处于总体最大值。在一个示例中，总体最大值是由于发动机工况(诸如，陡峭的倾斜)，并且控制器发信号给流体喷射器以释放增加量的工作流体，使得T1处由线404表示的工作流体量也处于总体最大值。在T1之后，随着线402下降，则线404也下降。在降低的温度下，第一汽缸不能蒸发相同量的工作流体，并且因此减少所喷射的量以满足新的汽缸温度。
注意图4的第二汽缸，可以看出，汽缸温度和工作流体喷射量之间的相同比例关系继续存在。也就是说，线406随着时间接近T1而下降，线408也是如此。当线406随着时间更远离T1的移动而增加和平稳时，线408也是如此。第二汽缸的线406和线408没有给汽缸温度和工作流体喷射量之间的关系提供第一汽缸的线402和线404不可提供的见解；然而，通过将第一汽缸的线402和线404与第二汽缸的线406和线408进行比较，可以看出每个汽缸所喷射的工作流体量对应于该汽缸。例如，由于在T1处汽缸1具有比汽缸2更高的温度，因此更多的工作流体被喷射到汽缸1中而不是汽缸2中。每个汽缸被单独地监测和/或部分地取决于该特定汽缸的具体温度而被实施。例如，第一汽缸的温度的任何变化(即，线402中的任何变化)不应当能够在线406或线408上产生变化，每个汽缸被独立地分析和处理。
以这种方式，缸内热能回收系统可以用于产生增加量的功，而不需要化石燃料的额外燃烧，从而提高燃料经济性。将缸内热能回收系统的管阵列放置在发动机汽缸盖的技术效果，是来自排气的更大量的能量(即，热量)被传递到工作流体，引起从相同量的化石燃料产生更大量的功。将缸内热能回收系统的管阵列放置在发动机汽缸盖的另一技术效果，是其允许控制器调节汽缸温度和/或燃烧温度。
作为一个实施例，用于发动机的方法包括基于相应的发动机汽缸的温度将流体单独地喷射到多个管阵列中，其中多个管阵列中的每个管阵列包括，在发动机汽缸盖的区域中穿过相应的发动机汽缸的燃烧室的一个或多个管，并且在喷射的流体穿过每个管阵列之后从所喷射的流体回收热能。在该方法的第一示例中，该方法进一步包括使用所回收的热能至少部分地操作发动机的曲轴和离合器中的一个或多个。该方法的第二示例可选地包括第一示例，并且进一步包括其中每个管阵列的一个或多个管经由壁与相应汽缸的燃烧室分离。该方法的第三示例可选地包括第一示例和第二示例中的一个或多个，并且进一步包括，将流体单独地喷射到多个管阵列中包括在相应的发动机汽缸的排气冲程的开始时将流体单独地喷射到每个管阵列中。该方法的第四示例可选地包括第一示例至第三示例中的一个或多个，并且进一步包括在发动机温度已经达到阈值温度之后，开始将流体单独地喷射到多个管阵列中。该方法的第五示例可选地包括第一示例至第四示例中的一个或多个，并且进一步包括基于发动机汽缸的温度来调整针对每个发动机汽缸的每个管阵列的单独喷射的流体的正时和量。该方法的第六示例可选地包括第一示例至第五示例中的一个或多个，并且进一步包括，其中回收热能包括使离开多个管阵列的蒸汽膨胀，以在包括涡轮和压缩机的系统内产生功。该方法的第七示例可选地包括第一示例至第六示例中的一个或多个，并且进一步包括，其中单独地喷射流体包括经由控制器致动每个发动机汽缸上游的耦接到每个管阵列的单独流体喷射器，以在一段持续时间内喷射流体，其中该持续时间基于期望的流体喷射量。该方法的第八示例可选地包括第一示例至第七示例中的一个或多个，并且进一步包括响应于相应的发动机汽缸的温度低于阈值温度，不将流体单独地喷射到多个管阵列的管阵列中。
在另一个示例中，一种用于发动机的方法包括基于发动机工况，调整喷射到管阵列中的流体的正时和量，该管阵列穿过发动机汽缸的燃烧室并被布置在发动机汽缸中靠近的排气门的盖区域；在发动机汽缸的下游从离开管阵列的喷射流体回收热能；以及至少部分地使用所回收的热能操作发动机部件。在该方法的第一示例中，该方法进一步包括，其中发动机工况包括发动机汽缸的温度。该方法的第二示例可选地包括第一示例，并且进一步包括，其中调整所喷射的流体的正时和量包括随着发动机汽缸的温度增加而增加所喷射的流体的量。该方法的第三示例可选地包括第一示例和第二示例中的一个或多个，并且进一步包括，其中调整所喷射的流体的正时和量包括随着发动机汽缸的温度降低而减少所喷射的流体量。该方法的第四示例可选地包括第一示例至第三示例中的一个或多个，并且进一步包括，其中调整所喷射流体的正时和量包括基于发动机爆震的指示，从发动机汽缸的排气冲程提前喷射正时。该方法的第五示例可选地包括第一示例至第四示例中的一个或多个，并且进一步包括，其中调整所喷射的流体量包括调整在发动机汽缸上游的耦接到管阵列的雾化流体喷射器的脉冲宽度调制。该方法的第六示例可选地包括第一示例至第五示例中的一个或多个，并且进一步包括其中经由控制器执行调整喷射到管阵列中的流体的正时和量，其中该控制器致动流体喷射器，该流体喷射器在发动机汽缸的上游耦接到管阵列。
在另一个实施例中，一种用于发动机的系统包括多个发动机汽缸；多个管阵列，其中多个管阵列的管阵列安装到多个发动机汽缸中的每一个的盖区域，每个管阵列包括多个管，其中多个管中的每个管穿过多个发动机汽缸的相应的发动机汽缸的燃烧室，并且其中每个管的内部与燃烧室的其余部分隔离；以及多个雾化流体喷射器，其中多个流体喷射器中的至少一个流体喷射器耦接到每个管阵列的入口；以及热回收系统，其在多个发动机汽缸的上游和下游耦接到多个管阵列；以及控制器，其包括存储在存储器中的非暂时性指令，用于基于相应的发动机汽缸的温度，经由多个流体喷射器将流体单独地喷射到多个管阵列中的每个管阵列中，在喷射流体穿过每个管阵列之后经由热回收系统从所喷射的流体回收热能，并且将所回收的能量应用到额外的发动机部件。在该方法的第一示例中，该方法进一步包括，其中热回收系统包括耦接到可旋转轴的涡轮和压缩机，其中该可旋转轴耦接到额外发动机部件。该方法的第二示例可选地包括第一示例，并且进一步包括，其中每个管阵列包括布置在多个汽缸的每个发动机汽缸的排气门座周围的较大的热传递区域。该方法的第三示例可选地包括第一示例和第二示例中的一个或多个，并且进一步包括，其中每个管阵列的多个管包括穿过并跨过相应的发动机汽缸的直径的多个平行管，其中多个平行管的比较集中部分(greater concentration)位于相应的发动机汽缸的排气门座的周围。

Claims (20)

1.一种用于发动机的方法，其包括：
将流体单独地喷射到多个管阵列中，其中所述多个管阵列中的每个管阵列包括一个或多个管，所述一个或多个管穿过发动机汽缸的盖区域中的相应发动机汽缸的燃烧室，其中单独地喷射到每个管阵列中的流体的量基于所述相应发动机汽缸的温度；以及
在喷射流体穿过每个管阵列之后从所述喷射流体中回收热能。
2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括使用所述回收的热能至少部分地操作所述发动机的曲轴和离合器中的一个或多个。
3.根据权利要求1所述的方法，其中每个管阵列的所述一个或多个管经由壁与所述相应发动机汽缸的所述燃烧室分离。
4.根据权利要求1所述的方法，其中将流体单独地喷射到所述多个管阵列中包括，在所述相应发动机汽缸的排气冲程的开始时将流体单独地喷射到每个管阵列中。
5.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括在发动机温度已经达到阈值温度之后开始将流体单独地喷射到所述多个管阵列中。
6.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括，基于所述发动机汽缸的所述温度，针对每个发动机汽缸的每个管阵列调整单独地喷射的流体的正时。
7.根据权利要求1所述的方法，其中回收所述热能包括使离开所述多个管阵列的蒸汽膨胀以在包括涡轮和压缩机的系统内产生功。
8.根据权利要求1所述的方法，其中单独地喷射流体包括经由控制器致动在每个发动机汽缸上游的耦接到每个管阵列的单独流体喷射器，以喷射流体一段持续时间，其中所述持续时间基于期望的流体喷射量。
9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括，响应于所述相应发动机汽缸的所述温度低于阈值温度，不将流体单独地喷射到所述多个管阵列的管阵列中。
10.一种用于发动机的方法，其包括：
分别基于第一发动机汽缸和第二发动机汽缸的工况，调整喷射到第一管阵列和第二管阵列中的流体的正时和量，所述第一管阵列和第二管阵列分别穿过第一发动机汽缸和第二发动机汽缸的燃烧室并布置在所述第一发动机汽缸和所述第二发动机汽缸中靠近排气门的盖区域；
在所述第一发动机汽缸和所述第二发动机汽缸的下游，从离开所述第一管阵列和所述第二管阵列的喷射流体中回收热能；以及
至少部分地使用回收的所述热能操作发动机部件。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述工况包括所述第一发动机汽缸的第一温度和所述第二发动机汽缸的第二温度。
12.根据权利要求11所述的方法，其中调整喷射的流体的正时和量包括随着所述第一发动机汽缸的所述第一温度或所述第二发动机汽缸的所述第二温度的增加而增加喷射的所述流体的量。
13.根据权利要求11所述的方法，其中调整喷射的流体的正时和量包括随着所述第一发动机汽缸的所述第一温度或所述第二发动机汽缸的所述第二温度的降低而减少喷射的所述流体的量。
14.根据权利要求10所述的方法，其中调整喷射的流体的正时和量包括基于发动机爆震的指示，从所述第一发动机汽缸或所述第二发动机汽缸的排气冲程提前喷射正时。
15.根据权利要求10所述的方法，其中调整喷射的流体的量包括调整耦接到所述第一发动机汽缸上游的所述第一管阵列或所述第二发动机汽缸上游的所述第二管阵列的雾化流体喷射器的脉冲宽度调制。
16.根据权利要求10所述的方法，其中经由控制器执行调整喷射到所述第一管阵列和所述第二管阵列中的所述流体的正时和量，其中所述控制器致动耦接到所述第一发动机汽缸上游的所述第一管阵列的第一流体喷射器以及耦接到所述第二发动机汽缸上游的所述第二管阵列的第二流体喷射器。
17.一种用于发动机的系统，其包括：
多个发动机汽缸；
多个管阵列，其中所述多个管阵列的一个管阵列安装到所述多个发动机汽缸中的每一个的盖区域，每个管阵列包括多个管，其中所述多个管中的每个管穿过所述多个发动机汽缸中的相应发动机汽缸的燃烧室，并且其中每个管的内部与所述燃烧室的其余部分隔离；
多个雾化流体喷射器，其中所述多个雾化流体喷射器中的至少一个雾化流体喷射器耦接到每个管阵列的入口；
热能回收系统，其在所述多个发动机汽缸的上游和下游耦接到所述多个管阵列；以及
控制器，其包括存储在存储器中的非暂时性指令，用于：
基于所述相应发动机汽缸的温度经由所述多个雾化流体喷射器，将流体单独地喷射到所述多个管阵列中的每个管阵列中；
在喷射流体穿过每个管阵列之后经由所述热能回收系统从所述喷射流体回收热能；和
将回收的能量应用到额外的发动机部件。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述热能回收系统包括耦接到可旋转轴的涡轮和压缩机，其中所述可旋转轴耦接到所述额外的发动机部件。
19.根据权利要求17所述的系统，其中每个管阵列包括布置在所述多个发动机汽缸中的每个发动机汽缸的排气门座周围的较大的热传递区域。
20.根据权利要求17所述的系统，其中每个管阵列的所述多个管包括穿过并跨过所述相应发动机汽缸的直径的多个平行管，其中所述多个平行管的比较集中部分被定位在所述相应发动机汽缸的排气门座周围。
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