，直到将EGR气体被引入进气通道中。
[0028] 在本文中使用的术语"A"表示空气中的氧气与燃料的化学计量比。空气中的氧 气与燃料的化学计量比表示碳氢燃料中的每摩尔碳需要1摩尔氧气（在空气中）并且燃料 中的每2摩尔氢气需要1摩尔氧气。对于汽油而言，这个化学计量法转化成大约14. 7:1的 重量比（w/w，空气：汽油）。越高的A值表示越贫的混合物或者越多的每单位燃料的空气。 因此，A大于1表示大于14.7:lw/w的比率（对于汽油而言）。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。
[0029] 装有废气再循环的传统内燃机设置有热交换器，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流失最小化。本发明的内部温度 控制和发动机冷却通过贫燃料混合物、EGR以及或者喷水到进气歧管或者直接喷水到发动 机的汽缸中来提供。因此，示出本发明的发动机以高达50%热力学效率操作。然而，在实施 方式中，可以利用热交换器。
[0030] 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制在不大 于12:1的压缩比，而在压缩点火式发动机中，其限制在不大于23:1的压缩比。比上述压缩 比更大的压缩比通常被认为会造成发动机损坏，例如，通过引发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。
[0031] 通常，EGR冷却被视为期望地使栗送损失最小化、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更大量的EGR，而不受爆震限制的影响、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。
[0032] 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 在引入之前的再循环废气的温度更低的温度。
[0033] 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通道和进气通道 的一个或多个位置处发生本发明中再循环废气的冷却。因此，在将废气引入进气通道之后 对废气进行冷却的情况下，例如，再循环废气仅在进气通道中冷却之前与在排气歧管处具 有基本上相同的温度。
[0034] 在一个实施方式中，本发明的EGR包括：储水器；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。
[0035] 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。
[0036] 这个系统可与任何使用EGR的内燃机一起使用；用于二冲程或四冲程，并且由用 于燃料的可燃液体提供燃料，诸如，汽油、柴油、乙醇、甲醇、氢气、天然气或其混合物，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。
[0037] 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 燃料（诸如，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式活 塞；位于气缸中的燃烧室；具有至少一个进气阀的进气歧管；具有至少一个排气阀的排气 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A运行；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。
[0038] 贫燃料混合物是期望的，以便减少由在发动机以稳定速度运行时不得不操作节流 阀部分关闭的发动机所造成的节流损失。然而，贫燃料混合物可在A大于1的特定范围内 更猛烈地燃烧，这可在A大于1时造成更大的N0X排放。使用贫混合物运转内燃机，可导 致超过2500°F的燃烧室温度。除了增大^^^产量以外，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。
[0039] 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 气再循环来使用燃料，诸如，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 式活塞；位于气缸中的燃烧室；具有至少一个进气阀的进气歧管；具有至少一个排气阀的 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A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。
[0040] 本发明的发动机的最佳X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而言，A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，A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，A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，A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。
[0041] 本发明的发动机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。需要对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。
[0042] 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。
[0043]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。
[0044] 众所周知，EGR向内燃机提供了多个优点且被常规地使用。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N0X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通道或进气通道中，以将再 引入的废气冷却至控制温度。
[0045] 由于水冷EGR降低了燃烧室内的温度，所以可使用明显更贫的燃料混合物，而不 产生更高的N0X排放或爆震。较贫的燃料是能够在本发明中具有高压缩比的第二特征。
[0046] 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