CN114508434A - 用于控制燃烧发动机中的喷射的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于控制燃烧发动机中的喷射的方法，该方法用于控制将气态燃料(例如氢气或基于氢的气体)和基于水的流体介质喷射到燃烧发动机中。该方法包括以下步骤：在第一操作模式(10)下，以相对高的压力将气态燃料(S10a)和可选的基于水的流体介质(S10b)喷射(S10)到发动机的燃烧室中；在第二操作模式(20)下，将液体形式的水喷射(S20)到发动机中以降低燃烧室内部的温度和压力，并将气态燃料以相对低的压力喷射(S22)到燃烧室中。

Description

用于控制燃烧发动机中的喷射的方法
技术领域
本发明涉及一种用于控制将气态燃料(例如氢气或基于氢的气体)和基于水的流体介质喷射到燃烧发动机中的方法。本发明还涉及一种喷射系统、燃烧发动机和车辆。本发明适用于车辆，特别是重型车辆，例如卡车。然而，尽管将主要针对卡车来描述本发明，但该内燃发动机当然也适用于其他类型的车辆，例如轿车、工业建筑机械、轮式装载机等。
背景技术
多年来，对内燃发动机的需求一直在稳步增长，并且也在不断开发发动机以满足来自市场的各种需求。减少废气、提高发动机效率(即降低燃料消耗)和降低发动机的噪音水平是选择车辆发动机时作为重要方面的一些标准。另外，在卡车领域，存在适用的法律指令，其例如已经确定了可允许的最大废气污染量。再进一步，降低车辆的总成本是重要的，并且由于发动机构成了总成本的较大部分，自然也降低了发动机部件的成本。
为了满足所描述的需求，多年来已经开发了常规燃烧气缸与例如预压缩阶段和/或膨胀阶段相结合的各种发动机构思。例如，US 967,828公开了一种内燃发动机，其目的是最小化执行发动机循环所需的气缸和移动零件的数量。US 967,828中的内燃发动机包括通过两个导管相互连接的高压气缸和低压气缸。配备该低压气缸以交替执行压缩机和膨胀器的功能。因此，减少了对单独的压缩机和单独的膨胀器的需求，并且可以使内燃发动机相对紧凑。
其他发动机构思涉及在燃烧发动机中使用和燃烧的燃料。例如，汽油和柴油可以更换为更环保的燃料，例如生物燃料，例如乙醇。在某些情况下，当更换燃料时，燃烧发动机需要适于以新燃料最佳地运行。近来，清洁燃烧发动机(例如接近零排放的燃烧发动机)已变得越来越令人感兴趣。例如，通过将燃料改变为氢气或基于氢的燃料，氢气与氧气的燃烧仅产生水作为副产物(理论上)。然而，通过改变燃料来实现这种清洁燃烧发动机，需要对常规内燃发动机进行更彻底的调整，以便以新燃料最佳地运行。因此，行业中需要一种改进的内燃发动机。
发明内容
本发明的目的是至少在一定程度上减轻上述关于已知燃烧发动机讨论的缺点，并改善燃烧发动机的操作，特别是用于将物质(例如燃料)喷射到发动机中的操作。
根据本发明的至少第一方面，提供了一种用于控制将气态燃料(例如氢气或基于氢的气体)和基于水的流体介质喷射到燃烧发动机中的方法。该方法包括以下步骤：
-在第一操作模式下，以相对高的压力将气态燃料和可选的基于水的流体介质喷射到发动机的燃烧室中；
-在第二操作模式下，将液体形式的水喷射到发动机中以降低燃烧室内的温度和压力，并以相对低的压力将气态燃料喷射到燃烧室中。
通过降低燃烧室内的压力，即使供应气态燃料的(多个)加压箱中的燃料压力已经降低到原本会阻止根据第一操作模式(即当以相对高的压力喷射气态燃料时)操作发动机的水平，气态燃料也可以经由燃料入口喷射到燃烧室。利用由(多个)加压箱供应的气态燃料操作燃烧发动机时的问题是：当(多个)加压箱中的压力随着该(多个)加压箱开始被耗尽而降低时，已经没有在能够实现燃烧发动机的正常运行的压力下的气态燃料可用。因此，为了利用(多个)加压箱的全部容量，即使当(多个)加压箱中的压力低于发动机的正常运行所需的水平时，本发明也通过降低燃烧室中的压力来提供解决方案，从而能够以相对低的压力向燃烧室供应气态燃料。因此，可以在重新添加燃料之前使用(多个)加压燃料箱中的更多燃料，和/或可以避免需要用于增加气态燃料的压力的单独的压缩机。根据至少一个示例性实施例，在第一操作模式下使用与第二操作模式下相同的燃料入口。此外，通过在第二操作模式下通过喷射液体形式的水来降低温度，可以在发动机的压缩冲程期间避免气态燃料的非期望的爆震。
应当理解，可选地在第一操作模式下喷射的基于水的流体介质可以是液体或蒸汽形式的水。根据至少一个示例实施例，所述基于水的流体介质包含至少50％的水分子，例如超过70％的水分子，例如超过90％，或超过95％，或大约100％的水分子。所述基于水的流体介质可以被称为含水的流体介质(在此，流体介质是指液相和气相，但不是固态)。应当理解，在第一操作模式下，喷射基于水的流体介质是可选的，因此可以不被执行。在这样的实施例中，在第一操作模式下，气态燃料以相对高的压力被喷射到发动机的燃烧室中，随后通过例如扩散压缩或压缩点火进行燃烧。
根据至少一个示例实施例，气态燃料由至少一个加压箱供应到燃烧室。根据至少一个示例实施例，气态燃料由至少两个加压箱供应到燃烧室，该至少两个加压箱被构造成单独地向燃烧室供应气态燃料。典型地，在第一和第二操作模式下至少部分地使用相同的加压箱。
根据至少一个示例实施例，气态燃料由至少一个加压箱供应到燃烧室，并且该方法还包括以下步骤：当加压箱中的可用燃料压力阻止以所述相对高的压力喷射气态燃料时，将发动机的操作模式从第一操作模式改变为第二操作模式。
因此，通过将发动机构造成当加压箱中的可用燃料压力不允许根据第一操作模式(即，以相对高的压力)喷射气态燃料时基于所述标准在发动机的操作模式之间进行切换或改变，实现了对来自(多个)加压箱的燃料的有效利用和发动机的增加的最佳运行。
根据至少一个示例实施例，该方法还包括监测加压箱中的燃料压力的步骤，并且其中，响应于燃料压力降低到低于阈值而进行改变发动机的操作模式的步骤。
因此，通过监测所述至少一个加压箱中的压力，发动机的操作模式可以以有效且及时的方式从第一操作模式切换到或改变到第二操作模式。此外，通过设置特定的阈值，实现了发动机的重复且可靠的操作。
根据至少一个示例实施例，在换档期间执行发动机的操作模式的改变，以平滑化发动机的操作模式的改变。在这种情况下，当发动机需要或要求操作模式的改变时，将启动换档。替代地，发动机将在接收到满足阈值的信号之后将操作模式的改变推迟到下一次换档。根据至少一个示例实施例，发动机的压缩机增压在发动机的操作模式的改变之前被降低或在改变的同时被降低。
根据至少一个示例实施例，该发动机还包括进气通路，该进气通路用于将压缩后的空气吸入到燃烧室中，该进气通路由进气门调节，并且其中该方法还包括以下步骤：在所述第二操作模式下，在将液体形式的水喷射到发动机中之后关闭进气门。
通过在关闭进气门之前(即，在发动机的进气冲程期间)将液体形式的水喷射到发动机中，该液体可以随着其冷却发动机内部的环境而蒸发，从而也特别降低了燃烧室内的压力，而不会对燃烧室的压力增加(由于水液体蒸发)做出显著贡献。换句话说，通过在将液体形式的水喷射到发动机中之后关闭进气门，由所喷射的液态水生成的蒸汽分布在发动机内的较大区域内，因此不会引起燃烧室内的压力的显著增加，这将抵消由所喷射的液态水的冷却效应引起的压力降低。
根据至少一个示例实施例，在第二操作模式下，将液体形式的水喷射到发动机中是在发动机的进气冲程期间进行的。
根据至少一个示例实施例，在所述第二操作模式下将液体形式的水喷射到发动机中的步骤包括在所述燃烧室的上游喷射水或将水喷射到燃烧室中。
例如，可以将液体形式的水喷射到发动机的压缩机或压缩机部分中。这提供了将液体形式的水引入到发动机中的有效方式，以及提供燃烧室的压力和温度的有效降低(因为压缩机与燃烧室流体连通，至少在关闭进气通路的进气门之前是如此)。
与在燃烧室上游喷射液体形式的水相比，通过将液体形式的水喷射到燃烧室中，喷射更靠近温度和压力降低的关注点发生。
根据至少一个示例实施例，在所述第二操作模式下将液体形式的水喷射到发动机中的步骤包括：在所述燃烧室的上游喷射水与将水喷射到燃烧室中相结合。
根据至少一个示例实施例，该方法还包括以下步骤：在所述第二操作模式下，通过火花塞点火来燃烧气态燃料。
也就是说，气态燃料借助火花塞来进行燃烧。由此，即使燃烧室中的压力和温度已经降低，也可以实现有效的燃烧。
根据至少一个示例实施例，该方法还包括根据奥托循环进行第二操作模式。
根据至少一个示例实施例，在第二操作模式下喷射液体形式的水的步骤是为了至少控制燃料燃烧的爆震。
根据至少一个示例实施例，该方法还包括以下步骤：在所述第一操作模式下，通过扩散燃烧或压缩点火来燃烧气态燃料。
因此，在发动机的正常操作期间，即在第一操作模式下，可以实现常规的基于压缩的燃烧。
根据至少一个示例实施例，在所述第一操作模式下将气态燃料和可选的基于水的流体介质喷射到燃烧室中的步骤包括喷射蒸汽形式(例如水蒸汽形式)的基于水的流体。
出于许多原因(例如为了在燃烧室中混合气态燃料)，使用蒸汽来补充气态燃料到燃烧室中的喷射是有利的。
应当注意，根据本发明的至少一个替代实施例，在第一操作模式下，喷射液体形式的基于水的流体介质。水液体通常将立即蒸发。从例如混合的角度来看，这种瞬间蒸发可能是有益的。
根据至少一个示例实施例，在所述第一操作模式下将气态燃料和可选的基于水的流体介质喷射到燃烧室中的步骤包括：在将基于水的流体介质喷射到燃烧室中之前将气态燃料喷射到燃烧室中。
在第一操作模式下的这种顺序喷射正时可能有利于气态燃料的燃烧。然而，应当注意，替代地或另外，基于水的流体介质可以在将气态燃料喷射到燃烧室中之前或与其同时(例如，以重叠的方式)喷射到燃烧室中。或者，如上所述，在第一操作模式下，省略喷射基于水的流体介质。
根据至少一个示例实施例，在第一操作模式下，例如利用排气再循环来减少NOx。这种排气再循环通常产生冷凝物形式的水，该水可以用于第二操作模式。
根据至少一个示例实施例，所述燃烧发动机包括具有头部的活塞，该活塞被构造成在发动机的气缸内往复运动，并且其中，燃烧室被包括在气缸中，在活塞的头部上方。在这样的实施例中，与在第一操作模式下将气态燃料喷射到燃烧室中相比，在第二操作模式下将气态燃料喷射到燃烧室中的步骤更远离上止点执行。
因此，由于在压缩冲程中所述燃烧室中的压力较早地更低，进一步促进了在第二操作模式下以相对低的压力喷射气态燃料。应该注意，根据一个示例实施例，第一操作模式下的燃烧可以导致气态燃料和蒸汽的混合物在活塞经过上止点TDC(例如在TDC的10度曲柄角CAD内)时的移动中燃烧。
根据至少一个示例实施例，气态燃料和任何基于水的流体介质的量都是预定的。因此，预定体积的气态燃料以及预定体积的基于水的流体介质被供给到发动机。
根据本发明的至少第二方面，提供了一种用于具有燃烧室的燃烧发动机的喷射系统。该喷射系统包括：
-燃料入口，该燃料入口被构造成从加压箱向发动机供应气态燃料；
-水入口装置，该水入口装置被构造成向发动机供应基于水的流体介质；
其中，该喷射系统被构造成：在第一操作模式下，以相对高的压力将气态燃料和可选的基于水的流体介质喷射到燃烧室中；并且该喷射系统被构造成：在第二操作模式下，将液体形式的水喷射到发动机中以降低燃烧室内的温度和压力，并以相对低的压力将气态燃料喷射到燃烧室中。
本发明的此第二方面的效果和特征在很大程度上类似于上面结合本发明构思的第一方面所描述的那些效果和特征。关于本发明的第一方面提到的实施例在很大程度上与本发明的第二方面兼容，并且可以例如通过电气控制单元(其中一些将在下面更详细地提及)实施到该喷射系统。
根据至少一个示例实施例，所述水入口装置包括第一水入口和/或第二水入口，该第一水入口被构造成将基于水的流体介质喷射到燃烧室中，该第二水入口被构造成将基于水的流体介质在燃烧室的上游喷射到发动机中。
例如，对于在第一操作模式下没有基于水的流体介质被喷射到燃烧室中的实施例，可以省略第一水入口。对于这样的实施例，第二水入口用于在第二操作模式期间喷射液体形式的水。
根据至少一个示例实施例，第一水入口被构造成喷射蒸汽形式的基于水的流体介质(例如，在第一和/或第二操作模式下)。根据至少一个示例实施例，第二水入口被构造成喷射液体形式的基于水的流体介质。
根据至少一个示例实施例，该喷射系统被构造成：在第一操作模式下，在将蒸汽形式的任何基于水的流体介质喷射到燃烧室中之前，将气态燃料喷射到燃烧室中。
根据至少一个示例实施例，该喷射系统包括公共喷射器，该公共喷射器包括所述燃料入口和至少第一水入口。
根据本发明的至少第三方面，提供了一种燃烧发动机，例如内燃发动机。该燃烧发动机包括根据本发明第二方面的喷射系统。如参照本发明的第一方面所述的，该发动机通常还可以包括燃烧室和其他相关部件。在此不再重复与这些实施例相关的效果。
例如，并且根据至少一个示例实施例，该燃烧发动机还包括进气通路和进气门，该进气通路用于将压缩后的空气吸入到燃烧室中，该进气门被构造成调节进气通路中的流体流量，其中，该喷射系统被构造成：在第二操作模式下，在关闭进气门之前将水喷射到发动机中。
例如，并且根据至少一个示例实施例，该燃烧发动机还包括火花塞，该火花塞布置在燃烧室中，其中，该火花塞被布置成在第二操作模式下点燃气态燃料。
例如，并且根据至少一个示例实施例，该燃烧发动机还包括气缸和具有头部的活塞，该活塞被构造成在气缸内往复运动，并且其中，燃烧室被包括在气缸中，在活塞的头部上方，并且其中，该发动机被构造成在第一操作模式下压缩气态燃料以实现压缩点火。
例如，根据至少一个示例实施例，该燃烧发动机被构造成：与在第一操作模式下将气态燃料喷射到燃烧室中相比，在所述第二操作模式下，更远离活塞的上止点将气态燃料喷射到燃烧室中。
根据本发明的至少第四方面，提供了一种车辆，该车辆包括燃烧发动机。
根据至少一个示例实施例，该车辆包括电气控制单元、根据本发明的第二方面的喷射系统和根据本发明的第三方面的燃烧发动机，该电气控制单元被配置成执行根据本发明的第一方面的方法。
根据至少一个示例实施例，该车辆包括：至少两个加压燃料箱，这些燃料箱单独地流体连接到发动机的喷射系统的燃料入口；以及压力控制单元，该压力控制单元被配置成控制燃料箱中的哪一个向燃料入口供应加压燃料流，该压力控制单元还被配置成相继清空燃料箱，使得至少一个燃料箱保持在比另一个燃料箱相对高的压力下。
因此，该车辆包括用于供应气态燃料的若干个加压箱，当这些箱中的总燃料量耗尽时，其中一些加压箱被主动保持在高压(以便根据车辆的第一操作模式使用)下。因此，与以加压箱中的压力均匀分布的方式使用加压箱的情形相比，该车辆可以根据第一操作模式操作更长时间。
在以下描述和附图中公开并讨论了本公开的另外的优点和特征。
附图说明
通过以下对本发明的示例性实施例的说明性而非限制性的详细描述，将更好地理解本发明的上述以及附加目的、特征和优点，在附图中：
图1是包括根据本发明的示例实施例的内燃发动机的车辆的侧视图；
图2是根据本发明的一个示例实施例的燃烧发动机的透视图；
图3是根据本发明的又一个示例实施例的燃烧发动机的示意图；并且
图4是描述根据本发明的示例实施例的方法的各个步骤的流程图。
具体实施方式
现在将在下文中参考附图更全面地描述本发明，附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式实现，且不应被解释为限于本文中阐述的实施例；相反，提供该实施例是为了彻底性和完整性。在整个说明书中，相同的附图标记指代相同的元件。
具体参照图1，提供了一种具有根据本发明的内燃发动机100的车辆1。图1中描绘的车辆1是卡车，将在下面详细描述的内燃发动机100特别适用于该卡车。然而，内燃发动机100也可以在其他类型的交通工具中实施，例如公共汽车、轻型卡车、轿车、船舶应用等中。内燃发动机100可以是所谓的清洁发动机，并且以气态燃料(例如氢气)运行，因此可以被称为H2发动机。
转到图2，其示出了根据本发明的示例实施例的内燃发动机200。为了便于理解本发明和流体流量配置，已从图2中省略了容纳相应活塞的每个气缸的完整图示。
内燃发动机200包括容纳第一燃烧活塞212的第一燃烧气缸210和容纳第二燃烧活塞216的第二燃烧气缸214。内燃发动机200还包括容纳压缩机活塞232的压缩机气缸230和容纳膨胀器活塞222的膨胀器气缸220。应当理解，第一燃烧活塞212和第二燃烧活塞216分别单独布置在第一燃烧气缸210和第二燃烧气缸212内部，并且适于在其内往复运动。对应地，压缩机活塞232和膨胀器活塞222分别布置在压缩机气缸230和膨胀器气缸220内部，并且适于在其内往复运动。
如图2所示，内燃发动机200包括曲轴240和将压缩机活塞232连接到曲轴240的压缩机活塞连杆(未示出)。对应地，第一燃烧活塞连杆213将第一燃烧活塞212连接到曲轴240，并且第二燃烧活塞连杆217将第二燃烧活塞214连接到曲轴240。因此，上文提及的活塞的往复运动可以转换为曲轴240的旋转运动。此外，压缩机活塞232通过至少一个连接元件250连接到膨胀器活塞222。连接元件250将压缩机活塞232刚性连接到膨胀器活塞222，使得压缩机活塞232和膨胀器活塞222一致地移动。因此，随着压缩机活塞232在向下冲程中移动(即，为了压缩压缩机气缸230中的空气)，膨胀器活塞222在跟随压缩机活塞232的运动的冲程中移动。对应地，随着膨胀器活塞222在向上冲程中移动，压缩机活塞232在跟随膨胀器活塞222的运动的冲程中移动。然而，应当注意，其他构造(例如其中膨胀器活塞222经由膨胀器连杆直接连接到曲轴240的构造)也在本发明的范围内。
如图2所示，压缩机气缸230和膨胀器气缸220被定位在曲轴240的相反两侧，并且非常邻近曲轴240。换句话说，所述曲轴240的一部分被布置在膨胀器活塞222和压缩机活塞232之间，使得该部分被布置在膨胀器活塞222和压缩机活塞232的各自面向曲轴的表面之间。膨胀器活塞222被构造成在膨胀器气缸220内部沿着膨胀器轴线EA往复运动。对应地，压缩机活塞232被构造成在压缩机气缸230内部沿着压缩机轴线CA往复运动。对应地，第一燃烧活塞212被构造成在第一燃烧气缸210内部沿着燃烧轴线COA1往复运动，并且第二燃烧活塞216被构造成在第二燃烧气缸214内部沿着燃烧轴线COA2往复运动。如图2所见，膨胀器气缸220和压缩机气缸230被同轴布置，即，膨胀器轴线EA和压缩机轴线CA对齐。
在图2的实施例中，示出了：与膨胀器气缸220相比，第一燃烧气缸210和第二燃烧气缸214从所述曲轴240横向突出。因此，压缩机气缸230以及第一燃烧气缸210和第二燃烧气缸214被布置在内燃发动机200内部，使得压缩机轴线CA相对于燃烧轴线COA1、COA2中的每一个成例如90度的角度，或者在40度和90度之间，例如在50度和75度之间、或者在55度和65度之间、例如约60度的角度。
如图2中可见，发动机200包括喷射系统620，该喷射系统620包括第一燃料入口603a和第二燃料入口603b，该第一燃料入口603a和第二燃料入口603b被构造成向第一燃烧气缸210和第二燃烧气缸214供应气态燃料(通常供应到被布置在相应燃烧活塞的头部与相应燃烧气缸之间的相应燃烧室中)。燃料入口603a、603b中的每一个都流体连接到至少一个加压箱(例如，如图3所示)。该气态燃料优选为氢气或基于氢的气体，因此该加压箱优选充有氢气或基于氢的气体(或可容易地转化形成氢气的燃料)。喷射系统620还包括水入口装置604，该水入口装置604被构造成向发动机200供应基于水的流体介质。更详细地，水入口装置604包括被构造成将基于水的流体介质喷射到第一燃烧气缸210中的第一气缸水入口604a、被构造成将基于水的流体介质喷射到第二燃烧气缸214中的第二气缸水入口604b、以及被构造成将基于水的流体介质喷射到压缩机气缸230中的压缩机水入口604c。第一气缸水入口604a和第二气缸水入口604b通常被构造成将蒸汽(例如，水蒸汽)形式的基于水的流体介质喷射到相应的燃烧气缸210、214中，并且压缩机水入口604c被布置和构造成将液态水形式的基于水的流体介质喷射到压缩机气缸230中。
另外，图2的发动机200的燃烧气缸210、214中的每一个都包括进气通路615a、615b，该进气通路615a、615b由相应的进气门616a、616b调节。由此，压缩后的空气可以从压缩机气缸230供给到燃烧气缸210、214的燃烧室。
转到图3，其示意性地示出了根据本发明的示例实施例的内燃发动机300。图3的内燃发动机300可以具有与图2的内燃发动机200相对应的构造。然而，在图3中，为了简单起见，仅示出了一个燃烧活塞和燃烧气缸。
内燃发动机300包括容纳第一燃烧活塞312的燃烧气缸310、压缩机330(其中压缩机气缸和压缩机活塞未单独示出)和膨胀器320(其中膨胀器气缸和膨胀器活塞未单独示出)。如上所述，燃烧气缸310、压缩机330和膨胀器320的构造可以与图2中示出的那些构造相同。更详细地，燃烧活塞312包括头部313，其中活塞312被构造成在燃烧气缸310内往复运动，并且其中燃烧室314被包括在燃烧气缸310中，在燃烧活塞312的头部313上方。发动机300还包括布置在燃烧室314中的火花塞309。
此外，发动机300包括将压缩机330和燃烧室314流体连接的空气室311(即，空气室311布置在燃烧室314的上游)。压缩后的空气经由进气通路315供给到燃烧室314，并由进气门316调节。
图3的发动机300包括热交换器305，该热交换器305布置在燃烧室314的下游并与该燃烧室314流体连通，用于接收来自燃烧室314的排气。在图3的实施例中，热交换器305容纳三元催化转化器306，该三元催化转化器306被布置在燃烧室314下游并与燃烧室314流体连通，用于接收排气。热交换器305和三元催化转化器306的操作对于本领域技术人员来说是已知的。
如图3可见，发动机300包括喷射系统420，该喷射系统420包括燃料入口403，该燃料入口403被构造成向燃烧室314供应气态燃料。燃料入口403流体连接到至少一个加压箱，在图3的实施例中，示出了两个加压箱403a、403b。燃料入口403通常至少单独连接到两个加压箱403a、403b中的每一个，使得这两个加压箱403a、403b中的每一个都能够单独向燃料入口403供应气态燃料。在图3中，压力控制单元405被布置在两个加压箱403a、403b的下游和燃烧室314的上游，并且被配置成控制燃料箱403a、403b中的哪一个向燃料入口403供应加压燃料流。该气态燃料优选为氢气或基于氢的气体，因此，加压箱403a、403b优选充有氢气或基于氢的气体(或可容易地转化形成氢气的燃料)。
喷射系统420还包括水入口装置404，该水入口装置404被构造成向发动机300供应基于水的流体介质。更详细地，水入口装置404包括被构造成将基于水的流体介质喷射到燃烧室314中的第一水入口404a、和被构造成将基于水的流体介质在燃烧室314上游喷射到发动机300中的第二水入口404b。在图3的示例实施例中，第一水入口404a通常被构造成将蒸汽(例如，水蒸汽)形式的基于水的流体介质喷射到燃烧室314中，并且第二水入口404b被布置和构造成将液态水形式的基于水的流体介质喷射到压缩机330中(例如，喷射到压缩机气缸中)。然而，应当注意，第一水入口404a可以不是被构造成将蒸汽形式的基于水的流体介质喷射到燃烧室314中(或除此之外)，而是被构造成将液体(例如，液态水)形式的基于水的流体介质喷射到燃烧室314中。
图3的发动机300还包括冷凝器307，该冷凝器307被布置在膨胀器320下游并与膨胀器320流体连通以接收排气，冷凝器307被构造成冷凝所述排气以形成冷凝物。通过利用第一导管308，该冷凝物可以用作前述的基于水的流体介质，该第一导管308被构造成将冷凝器307中形成的冷凝物的至少第一部分经由热交换器305供给到第一水入口404a(例如，蒸汽喷射器)以形成蒸汽。此外，第二导管318可以被布置和构造成将冷凝物的第二部分供给到第二水入口404b，该第二水入口404b被构造成将冷凝物喷射到压缩机330的压缩室中。然而，应当注意，向发动机300供应基于水的流体介质的其他方式(例如不使用冷凝器307)也在本发明的范围内。
现在将参考图4中的流程图进一步阐述发动机200、300的功能，该流程图表示用于控制将气态燃料(例如氢气或基于氢的气体)和基于水的流体介质喷射到燃烧发动机(例如，分别为图2和图3的发动机200或发动机300)中(例如，喷射到发动机的燃烧室中)的方法。该方法基于发动机的两种操作模式，即，图4中由虚线框10所示的第一操作模式和由虚线框20所示的第二操作模式。因此，燃烧发动机可以根据第一操作模式10或第二操作模式20运行，其中第一操作模式通常对应于发动机的常规或正常操作(在此也称为扩散燃烧模式，或气态燃料直接喷射扩散燃烧模式)，其中高加压的燃料(>180巴)在加压箱中的至少一个中可用(图3中示出)，并且其中第二操作模式对应于没有高加压燃料可用的发动机操作，因此涉及其中(多个)加压箱相对接近被耗尽的操作模式。
首先描述第一操作模式10。在第一步骤S10中，气态燃料和可选的基于水的流体介质以相对高的压力被喷射到发动机的燃烧室中。对于喷射基于水的流体介质的实施例，第一步骤S10可以划分成其中气态燃料被喷射到燃烧室中的第一子步骤S10a和其中基于水的流体介质被喷射到燃烧室中的第二子步骤S10b，两次喷射都是在相对高的压力下进行的。对于在第一操作模式下没有基于水的流体介质被喷射到燃烧室中的实施例，省略了第二子步骤S10b。第二子步骤S10b通常包括喷射蒸汽(例如水蒸汽)形式的基于水的流体介质。应当注意，第二子步骤S10b通常在第一子步骤S10a之后进行，但是根据至少一个示例实施例，可以在第一子步骤S10a之前或与其同时进行。此外，第一步骤S10可以包括其中在第一子步骤S10a和第二子步骤S10b之前或之后喷射气态燃料或基于水的流体介质的另外的子步骤。例如，第一子步骤S10a和第二子步骤S10b可以在相当于彼此的30度曲轴转角CAD内、在20度CAD内或在10度CAD内进行，例如在5度CAD或3度CAD内进行。
在第二步骤S12中，气态燃料通过扩散燃烧或压缩点火在燃烧室中燃烧。第二步骤S12通常在从进气通路吸入压缩后的空气之后，在发动机(或燃烧气缸中的燃烧活塞)的压缩冲程期间进行。
在第三步骤S19(其可以在第一操作模式期间进行，也可以不在第一操作模式期间进行)中，发动机的操作模式从第一操作模式改变为第二操作模式。这个步骤通常在(多个)加压箱中的可用燃料压力阻止气态燃料以相对高的压力喷射(如第一操作模式下那样)时进行。在第三步骤S19之前，可以进行监测加压箱中的燃料压力的第三子步骤S17。在这种情况下，响应于第三子步骤S17，并且通常响应于燃料压力降低到低于阈值(例如是<180巴的阈值，例如150巴或100巴的阈值)，进行第三步骤S19。
在第二操作模式20中，并且在第四步骤S20中，将液体形式的水喷射到发动机中，以降低燃烧室内的温度和压力。第四步骤S20可以通过在燃烧室的上游将液态水喷射到例如发动机的压缩机中来进行，如上文关于图2和图3所述的。另外或替代地，第四步骤S20可以通过将液态水喷射到燃烧室中来进行。
在第四子步骤S21中，调节经压缩的空气经由进气通路进入到燃烧室中的进气门被关闭。
在第五步骤S22中，气态燃料以相对低的压力被喷射到燃烧室中。因此，与第一操作模式的相对高的压力相比，该相对低的压力较低。
因此，通过降低燃烧室内的压力，即使(多个)加压箱中的燃料压力已经降低到原本会阻止根据第一操作模式操作发动机的水平，气态燃料也可以经由燃料入口被喷射到燃烧室中。在所描述的实施例中，在第一和第二操作模式下使用相同的燃料入口，并且在第一和第二操作模式下至少部分地使用相同的加压箱。
通过在将液体形式的水喷射到发动机中之后关闭进气门，液体可以随着其冷却发动机内部的环境而蒸发，从而也特别降低了燃烧室内的压力，而不会对压力增加(由于水液体蒸发)做出显著贡献。
在第六步骤S24中，气态燃料通过火花塞点火而在燃烧室中燃烧。
因此，由于燃烧室中的压力已经降低以便以相对低的压力喷射气态燃料，所以对于压缩点火来说可能太低了，这就是为什么火花塞用于或用来帮助燃烧。此外，通过第四步骤S20降低温度，可以在燃烧活塞的压缩冲程期间避免气态燃料的非期望的爆震。
根据至少一个示例实施例，与在第一操作模式下将气态燃料喷射到燃烧室中(即第一步骤S10或第一子步骤S10a)相比，在第二操作模式下将气态燃料喷射到燃烧室中(即第五步骤S22)更远离燃烧活塞的上止点TDC执行。因此，由于燃烧室中的压力在压缩冲程中较早地更低，所以进一步促进了以相对低的压力喷射气态燃料。
回到图2，现在将参照图4中描述的方法进一步阐述内燃发动机200的功能。
在图2中，压缩机气缸230被构造成抽取一定体积的环境空气，压缩该空气，并将压缩后的空气经由进气通路615a、615b传送到第一燃烧气缸210和第二燃烧气缸214。第一燃烧气缸210和第二燃烧气缸214被构造成通过燃烧力而使其运转(energized)。
在第一操作模式下，气态燃料和可选的基于水的流体介质经由第一和第二燃料入口603a、603b以及第一和第二气缸水入口604a、604b以相对高的压力被喷射到燃烧气缸210、214的相应燃烧室中，如参考图4的方法中所述的。对于其中不喷射基于水的流体介质的实施例，可以省略第一和第二气缸水入口604a、604b。例如，喷射系统620可以被构造成(例如，经由电气控制单元)在喷射任何基于水的流体介质(通常为水蒸汽)之前将气态燃料喷射到燃烧气缸210、214的燃烧室中。随后，气态燃料通过扩散燃烧或压缩点火在燃烧气缸210、214的燃烧室中燃烧。膨胀器气缸220被构造成接收来自第一和第二燃烧气缸210、214的排气。
在第二操作模式下，将液体形式的水喷射到发动机200中，以降低燃烧气缸210、214的燃烧室内的温度和压力，并且气态燃料经由燃料入口603a、603b以相对低的压力被喷射到燃烧气缸210、214的燃烧室中，如参考图4所解释的那样。在图2的实施例中，将液体形式的水喷射在燃烧气缸210、214的上游，这里是经由压缩机水入口604c喷射到压缩机气缸230中。另外或替代地，通过经由第一和第二气缸水入口604a、604b将液态水喷射到燃烧气缸210、214中，可以喷射液体形式的水。应该提到的是，代替使用第一和第二气缸水入口604a、604b(其例如可以用于在第一操作模式下向燃烧气缸210、214供应基于水的流体介质)，单独的合适的水入口(未示出)可以用于向第一和第二燃烧气缸210、214供应液体形式的水。无论以哪种方式，喷射系统620都被构造成关闭进气门616a、616b，从而在将液体形式的水喷射到发动机200中之后，调节经压缩的空气经由进气通路615a、615b到燃烧气缸210、214中的吸入。
随后，如参照图4所述的，气态燃料经由燃料入口603a、604b以相对低的压力被喷射到第一和第二燃烧气缸210、214的燃烧室中，并且气态燃料通过火花塞点火在燃烧气缸210、214的燃烧室中燃烧。至于第一操作模式，膨胀器气缸220被构造成接收来自第一和第二燃烧气缸210、214的排气。
除了进气门616a、616b以及燃料入口603a、603b和水入口604a、604b之外，空气、燃料和气体的输送是通过本领域技术人员已知的并且将压缩机气缸230、第一和第二燃烧气缸210、214以及膨胀器气缸220流体互连的入口阀、传输端口和出口阀来进行的。
回到图1，车辆1可以包括被构造成执行参考图4描述的方法的电气控制单元3，并且图2的发动机200或图3的发动机300可以用作车辆1中的发动机100。具体而言，可以使用图3的发动机300、以及至少两个加压燃料箱403a、403b。如前所述，燃料箱403a、403b可以单独地流体连接到发动机的喷射系统的燃料入口，并且压力控制单元405被配置成控制向燃料入口供应加压燃料流的燃料箱中的哪一个可以布置在燃料箱403a、403b的下游。由此，压力控制单元405可以被配置成相继清空燃料箱403a、403b，使得至少一个燃料箱保持在比另一个燃料箱相对高的压力下。
应当理解，本发明不限于以上描述的和附图中示出的实施例；相反，本领域技术人员将认识到，在所附权利要求书的范围内可以进行许多修改和变型。
另外，本领域技术人员在实践要求保护的发明构思时，通过研究附图、公开内容和所附权利要求书，可以理解和实现所公开的实施例的变型。在权利要求书中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中引用某些措施的事实并不表示这些措施的组合不能被有利地使用。

Claims (15)

1.一种用于控制将气态燃料和基于水的流体介质喷射到燃烧发动机中的方法，所述气态燃料例如是氢气或基于氢的气体，所述方法包括以下步骤：
在第一操作模式(10)下，以相对高的压力将气态燃料和可选的基于水的流体介质喷射到所述发动机的燃烧室中；
在第二操作模式(20)下，将液体形式的水喷射到发动机中以降低所述燃烧室内的温度和压力，并将所述气态燃料以相对低的压力喷射到所述燃烧室中。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述气态燃料由至少一个加压箱供应到所述燃烧室，并且所述方法还包括以下步骤：当所述加压箱中的可用燃料压力阻止以所述相对高的压力喷射气态燃料时，将所述发动机的操作模式从所述第一操作模式改变为所述第二操作模式。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括监测所述加压箱中的燃料压力的步骤，并且其中，响应于燃料压力降低到低于阈值来进行改变所述发动机的操作模式的步骤。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的方法，其中，所述发动机还包括进气通路，所述进气通路用于将压缩后的空气吸入到所述燃烧室中，所述进气通路由进气门调节，并且其中，所述方法还包括以下步骤：在所述第二操作模式下，在将液体形式的水喷射到所述发动机中之后关闭所述进气门。
5.根据权利要求1-3中的任一项所述的方法，其中，在所述第二操作模式下将液体形式的水喷射到所述发动机中的步骤包括在所述燃烧室的上游喷射水或将水喷射到所述燃烧室中。
6.根据权利要求1-3中的任一项所述的方法，其中，所述方法还包括以下步骤：在所述第二操作模式下，通过火花塞点火来燃烧所述气态燃料。
7.根据权利要求1-3中的任一项所述的方法，其中，所述方法还包括以下步骤：在所述第一操作模式下，通过扩散燃烧或压缩点火来燃烧所述气态燃料。
8.根据权利要求1-3中的任一项所述的方法，其中，所述燃烧发动机包括具有头部的活塞，所述活塞被构造成在所述发动机的气缸内往复运动，并且其中，所述燃烧室被包括在所述气缸中，在所述活塞的所述头部上方，其中，与在所述第一操作模式下将气态燃料喷射到所述燃烧室中相比，在所述第二操作模式下将所述气态燃料喷射到所述燃烧室中的步骤更远离上止点(TDC)执行。
9.一种用于具有燃烧室(314)的燃烧发动机(100、200、300)的喷射系统(420、620)，所述喷射系统包括：
燃料入口(403、603a、603b)，所述燃料入口(403、603a、603b)被构造成从加压箱(403a、403b)向所述发动机供应气态燃料；
水入口装置(404、604)，所述水入口装置(404、604)被构造成向所述发动机供应基于水的流体介质；其中，所述喷射系统被构造成：在第一操作模式(10)下，以相对高的压力将所述气态燃料和可选的所述基于水的流体介质喷射到所述燃烧室中；并且所述喷射系统被构造成：在第二操作模式(20)下，将液体形式的水喷射到所述发动机中以降低所述燃烧室内的温度和压力，并以相对低的压力将所述气态燃料喷射到所述燃烧室中。
10.根据权利要求9所述的喷射系统，其中，所述水入口装置包括第一水入口(404a、604a、604b)和/或第二水入口(404b、604c)，所述第一水入口(404a、604a、604b)被构造成将所述基于水的流体介质喷射到所述燃烧室(314)中，所述第二水入口(404b、604c)被构造成将所述基于水的流体介质在所述燃烧室上游喷射到所述发动机中。
11.一种燃烧发动机(100、200、300)，例如内燃发动机，其包括根据权利要求9至10中的任一项所述的喷射系统。
12.根据权利要求11所述的燃烧发动机，还包括进气通路(315、615a、615b)和进气门(316、616a、616b)，所述进气通路(315、615a、615b)用于将压缩后的空气吸入到所述燃烧室中，所述进气门(316、616a、616b)被构造成调节所述进气通路中的流体流量，其中，所述喷射系统被构造成：在所述第二操作模式下，在关闭所述进气门之前将水喷射到所述发动机中。
13.根据权利要求11至12中的任一项所述的燃烧发动机，还包括布置在所述燃烧室中的火花塞(309)，其中，所述火花塞被布置成在所述第二操作模式下点燃所述气态燃料。
14.一种车辆(1)，包括电气控制单元(3)、根据权利要求9至10中的任一项所述的喷射系统(420，620)或根据权利要求11至13中的任一项所述的燃烧发动机(100、200、300)，所述电气控制单元(3)被配置成执行根据权利要求1至8中的任一项所述的方法。
15.根据权利要求14所述的车辆，包括：至少两个加压燃料箱(403a、403b)，所述燃料箱被单独地流体连接到所述发动机的所述喷射系统(420、620)的燃料入口(403、603a、603b)；以及压力控制单元(405)，所述压力控制单元(405)被配置成控制所述燃料箱中的哪一个燃料箱向所述燃料入口供应加压燃料流，所述压力控制单元还被配置成相继清空所述燃料箱，使得至少一个燃料箱保持在比另一个燃料箱相对高的压力下。
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