内部冷却内燃机及其方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引证
[0002] 本申请要求于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，其内容通过引证结合于此。此外，本申请要求于2013年11月20日提交的第PCT/ IB2013/002593号PCT申请的优先权，其内容通过引证结合于此。
技术领域
[0003] 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。
[0004] 本发明涉及具有至少一个往复式活塞的内燃机，该往复式活塞与直接冷却废气再 循环（EGR) -起操作。在本文中提出的原理可用于通常以汽油（石油）、天然气或乙醇混合 物运行的火花点火（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、煤油或重油运行的压缩点火（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器和端口燃料喷射发动机。
【背景技术】
[0005] 在内燃机中使用EGR很好被理解并且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取代了气缸中一定量的可燃装料，而在柴油发动机中，废气取代 了在预燃混合物中的过量氧气。可燃装料的取代导致较低的燃烧温度并且有效地减少了 NOx的形成（其主要在氮气和氧气的混合物受到高于1371°C(1644°K)的温度时形成）。 再循环的废气取代进入的空气，并且通过加热降低装料密度。这种组合效应有助于减少栗 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是一种用于在SI和CI 发动机中减少氮氧化物（"NOx"）排放并且提高奥托循环（Otto-cycle)发动机效率的有效 方法。
[0006] 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，并由此允许燃烧 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，从而降低燃料消耗。
[0007] 存在两种将废气重新引回燃烧室中方法。第一种方法是通过阀门定相或阀门重叠 的内部废气再循环（i-EGR)。阀门重叠是一种提早打开进气阀以在排气冲程期间允许废气 进入进气通道中的状态，或者是一种在进气冲程期间保持排气阀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 发动机操作点来调节气门状态，从而优化EGR收益。在图1中示出了现有技术发动机的示 意图，其示出了在内部EGR的情况下废气经由进气阀11的流动，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进入进气通道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。
[0008] 参照图2,现有技术发动机的示意图示出了在内部EGR的情况下废气经由排气阀 21的流动。在活塞22的排气冲程之后，排气阀21保持打开，并且在活塞22的进气冲程期 间允许排气通道26中的废气23返回24燃烧室25。
[0009] 废气再循环的第二种方法是经由燃烧室外部的废气回路，该燃烧室可包括或不包 括相应的受控EGR阀门（e-EGR)。EGR阀门取决于发动机操作点而电子地激活，以将合适量 的废气供给回新进空气-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。借助于管道、管线、通道或其他方式，将废弃31从排气通道37中输送至外 部热传递装置34,该外部热传递装置为热交换器或使废气冷却的类似实施方式的形式。在 进气通道38之前或者在进气通道内，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。
[0010] 这两种方案都有缺点。在e-EGR的情况下，在发动机管理系统所要求的EGR百分 比与到达发动机入口的废气之间产生了时间延迟。这一延迟引发控制问题，这些问题导致 发动机效率降低。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，这导致 体积效率的损失并且对在爆震开始之前可获得多少EGR造成限制。在使用外部热交换器来 冷却废气的冷却EGR方面已经开展了工业和学术工作，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。
[0011] 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），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气回路中（在压缩机与气缸之间的高压回路中，或者在压缩 机上游的低压回路中）。
[0012] 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。这些系统利用热交换器形式的外部冷却介质，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系统将废气冷却器暴露到 (在客车中的）高达大约450°C的极端温度中，并且暴露到（在商用车辆中）大约700°C的 极端温度中。
【发明内容】
[0013] 本发明的实施方式是一种内燃机，该内燃机包括至少一个气缸。每个气缸均具有 燃烧室、活塞、进气阀以及排气阀。进气通道设置成与各个进气阀连通，并且排气通道设置 成与各个排气阀连通。具有至少一个燃料喷射器的燃料处理系统被构造成将燃料喷射到燃 烧室或进气通道中。点火系统被构造成在活塞的压缩冲程结束时点燃烧室中的燃料。此外， 本发明包括将内燃机维持在预定工作温度范围内的一次冷却系统。一次冷却系统包括与喷 射器流体连通的储水器，其被设置成对内燃机进行冷却。喷射器被布置为向燃烧室或进气 通道喷射可控量的液态水。
【附图说明】
[0014] 图1是现有技术发动机的截面的示意图，其示出了在内部EGR情况下废气通过进 气阀的流动。
[0015] 图2是现有技术发动机的截面的示意图，其示出了在内部EGR情况下废气通过排 气阀的流动。
[0016] 图3是现有技术发动机的截面的示意图，其示出了在内部EGR情况下废气通过具 有EGR冷却器的外部回路的流动。
[0017]图4是发动机系统以及具有直接燃料喷射的本发明的自然吸气内燃机的示意图， 其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，经由进气阀或排气阀 的内部EGR。
[0018]图5是发动机系统以及具有直接燃料喷射的本发明的自然吸气内燃机的示意图， 其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回路的 流动。
[0019] 图6是发动机系统以及具有端口燃料喷射的本发明的自然吸气内燃机的示意图， 其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回路的 流动。
[0020] 图7是发动机系统以及具有端口燃料喷射的本发明的自然吸气内燃机的示意图， 其示出了在通过水喷射器将EGR冷却引导至进气通道中的情况下，废气经过外部EGR回路 的流动。
[0021]图8是发动机系统以及具有直接燃料喷射的本发明的涡轮增压内燃机的示意图， 其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回路的流动。
[0022] 图9是发动机系统以及具有端口燃料喷射的本发明的涡轮增压内燃机的示意图， 其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回路的流动。
[0023] 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。
[0024] 图11是本发明的自然吸气内燃机的示意图，其在通过水喷射器将内部冷却直接 进入燃烧室的情况下具有直接燃料喷射。
[0025]图12是本发明的具有内部冷却和水上回收系统的内燃机的方框图。
【具体实施方式】
[0026] 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、更高的运行温度、废气再循环（EGR)以及在 EGR路径、进气歧管或气缸中喷水而基本上以更高的热力学效率运行。
[0027]在本发明的背景下，术语"进气通道"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，进气通道包括进气口、空气入口、任何新鲜空气管道以及 进气歧管。在本发明的背景下，术语"排气通道"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通道"表示废气再循环系统的在将一部分废气转移到EGR系统 的排气通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