一種內燃發動機及控制這種內燃發動機的方法與流程

2023-06-19 00:46:01

本發明涉及一種內燃發動機以及以六衝程模式操作這種內燃發動機的方法。

背景技術：

使用內燃發動機的常規機動車使用四衝程循環——也稱為奧託循環來運行。內燃發動機的一個問題在於奧託循環的低熱效率。熱效率被定義為發動機輸出的有用功除以在其較低熱值下被消耗的燃料。火花點燃(SI)發動機的峰值熱效率在汽車應用中可為32％，但同一發動機在其正常運行點的熱效率可能僅為15-20％或更低。在20％熱效率的情形下，燃料中80％的熱能作為廢熱被廢棄而不能轉換成有用功。在常規的發動機中，不論發動機是空氣冷卻或液體冷卻的，該熱量都通過排氣和冷卻系統散失。發動機內部的摩擦力也佔發動機的總輸出功的10-25％。該摩擦力最後作為熱量離開發動機，因此該摩擦力已包括在給出的峰值效率數字中。有增加發動機熱效率的辦法。為了提高內燃發動機的熱效率，已經提出優選使用六衝程循環以利用通常在排氣中排出的某些廢熱。

例如US2012/060493公開了六衝程發動機，其中在排氣行程之後水被噴射入汽缸並且立刻變為蒸汽，其膨脹且向下推動活塞用於附加動力衝程。因此，在大多數發動機中需要空氣或水冷卻系統釋放的廢熱被捕捉且被用於驅動活塞。因此至少減少甚至消除了對冷卻系統的需要。可以消除與冷卻系統相關的重量，但這與除了常規燃料箱外還需要水箱平衡了。

儘管已知方案可從蒸汽的膨脹提取附加功率並且改進常規四衝程發動機的燃料消耗，但是有進一步提高內燃發動機熱效率的需要。

本發明的目的是提供一種內燃發動機以及以六衝程模式操作這種內燃發動機的方法以便提高發動機的熱效率。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種內燃發動機以及以六衝程模式操作這種內燃發動機的方法。通過根據所附權利要求的方法實現該目的。

根據一個實施例，本發明涉及一種用於在六衝程模式下操作內燃發動機的方法。所述發動機包括至少一個帶有往復運動的活塞的汽缸，每個汽缸具有至少一個進氣和排氣閥，其中所述方法包括依次執行以下步驟：

-第一衝程，其中至少包括空氣的氣體從進氣管道被導入燃燒室；

-第二衝程，其中所述氣體和噴射燃料被壓縮；

-第三衝程，其中壓縮的燃料/氣體混合物隨著點火而膨脹；

-第四衝程，其中燃燒的排氣穿過催化劑體被排入第一排氣管道；

-第五衝程，其中增壓的燃料和增壓加熱的水被噴射入所述燃燒室以便膨脹；以及

-第六衝程，其中蒸汽和氣態燃料混合物穿過所述催化劑體被排入第二排氣管道。

如上所示，發動機作為常規四衝程發動機運行直至第四衝程(含)。在該衝程期間，熱排氣穿過催化劑體排出，催化劑體被加熱至接近或基本上等於排氣溫度。在穿過催化劑體後，排氣被導入包括適宜的排氣後處理系統(EATS)的第一排氣管道，隨後進入外界空氣。在第五衝程期間，加壓的水和燃料被噴射入燃燒室。水和可選地還有燃料被加熱且隨後噴射入燃燒室以提供10-15bar左右的相對較高的汽缸壓力。

通過在高壓和高溫下噴射入汽缸的水以形成蒸汽來驅動第五衝程。選擇上死點(TDC)處汽缸內10-15bar的壓力級以免下死點(BDC)處壓力過高。然而，水噴射壓力可以高很多，可能在50-100bar的範圍內，以免在每個汽缸內通向蒸汽噴射器的水供給軌道內形成氣泡。

根據理想氣體定律通過蒸汽噴射器的噴射定時即單位給定體積的水量來確定汽缸壓力。以傳輸一定量燃料所需的壓力從燃料泵供給燃料。燃料可被加熱，但只有出於安全性或燃料管定位的原因才能如此。此外，在第五衝程期間稍後噴射燃料是有利的。使用的燃料壓力可為用於直接噴射系統的常規壓力，從50bar到數百bar。這是可能的，因為燃料和水使用獨立的泵和噴射器。通過選擇噴射器開啟時間來控制燃料的噴射量，該時間取決於噴射壓力。

通過沸點與壓力之間的已知關係確定水溫。因此，對於排氣熱交換器 內添加的給定量熱量來說，高壓泵必須被控制為以確保水溫低於該壓力下沸點的壓力和質量流量來供給水。噴射入汽缸的燃料和水的比率約為1:1，優選水的量略多以確保燃料的完全重整。使用10bar直至100bar的噴射壓力來噴射水，其中水溫受到適宜的限制。當使用50-100bar範圍內的水噴射壓力時，水軌道內的溫度可以限制於大約250°。通過選擇噴射器開啟時間來控制水的噴射量，該時間取決於噴射壓力。

可選地，至少水可被過熱，其中壓力必須足以防止噴射之前管道內的瞬間沸騰。至少增加水的壓力和溫度將增加第五衝程期間蒸汽循環的熱效率。一旦噴射，增壓加熱的水和燃料將蒸發和觸發膨脹循環。在膨脹期間，水和燃料蒸發為蒸汽和氣態燃料的混合物。在膨脹期間，蒸汽和氣態燃料混合物從燃燒室的壁進一步吸收熱量。該過程使得在膨脹衝程期間能夠提取額外的功並且有助於冷卻燃燒室的汽缸壁。這樣的效果是至少可減少甚至消除對環繞汽缸的冷卻套管的冷卻劑供應。發動機冷卻要求的減少將有助於提高發動機的熱效率。在第六衝程期間，蒸汽和氣態燃料混合物穿過被第四衝程期間排出的排氣所預先加熱的催化劑體被排出。當穿過加熱的催化劑體時，氣態的燃料將被重整為氫氣(H2)和包括碳氧化物優選一氧化碳(CO)的氣體。重整燃料和蒸汽隨後被導入與第一排氣管道分離的第二排氣管道。

該過程通常被稱為蒸汽重整或礦物燃料重整。所述過程從烴類燃料例如汽油或柴油尤其是生物柴油(由於其效率)中產生氫氣。催化劑體或重整體是處理裝置，蒸汽在其中與烴類燃料在高溫和壓力下反應。在700-1100℃範圍的溫度下，鎳基催化劑使得能夠產生一氧化碳(CO)和氫氣(H2)。然而，本發明不局限於上述示例。

用於蒸汽重整的通用公式可被表達為化學計量反應：

對於酒精燃料使用類似的過程。典型的酒精燃料是乙醇，用於其的蒸汽重整公式可被表達為化學計量反應：

C2H5OH+H2O->4H2+2CO

用於甲醇分解的蒸汽重整公式可被表達為：

CH3OH->2H2+CO

可選的通用公式可被表達為：

要注意，上述公式僅作為示例列出並且將由例如所使用的燃料類型和/或催化劑類型等因數確定用於根據本發明的發動機的化學計量反應。

包括負載型貴金屬催化劑例如銠(Rh)、釕(Ru)、鉑(Pt)的催化劑體適於乙醇在600-850℃溫度範圍內的蒸汽重整。適宜的載體可包括金屬氧化物載體(Al2O3，MgO，TiO2)並且貴金屬負載量可高達5％。對於低負載催化劑來說，發現Rh顯著地更具活性並且對氫氣更具有選擇性。Rh並且特別是Ru的催化性能在更高的負載下顯著提高，導致更高的活性和更高的氫選擇性。在高負載下，Ru催化劑的催化活性和選擇性與Rh的相當。在800℃和3：1的水/乙醇比率時，5％的Ru/Al2O3催化劑能夠以95％以上的氫選擇性完全轉換乙醇。用於乙醇的蒸汽重整的常見非貴金屬是鎳。添加有Cu、Cr、Zn、Na或K的負載在Al2O3、MgO、La2O3、SiO2和Y2O3上的鎳基催化劑可用於乙醇重整反應。通常地，Ni促使化學C-C鍵的分裂，而添加劑如Cr、Cu是用於隨後氧化以產生CO和H2的活性劑。上述列出的載體材料和催化劑僅為非限定示例並且本發明不僅僅局限於這些材料的使用。

導入第二排氣管道的重整燃料被收集以便在第一衝程期間用於隨後噴射和與導入進氣的混合。適於該目的的箱體或儲存器可包括一個或多個閥，例如箱體與第二排氣管道之間的單向閥，以及增壓工具，例如噴射閥與箱體之間的泵。隨著重整燃料和蒸汽穿過第二排氣管道，導入第二排氣管道的蒸汽被冷凝。冷凝水返回水箱以便在隨後的發動機操作期間再利用。

根據所述方法，可使用適宜的可控閥門例如三通閥控制排出氣體/蒸汽在第一與第二管道之間的流動。在第五衝程期間，可控閥門可從其中第一排氣管道打開並且第二排氣管道關閉的第一位置切換為其中第一排氣管道關閉且第二排氣管道打開的第二位置。可控閥門隨後可在第一衝程開始與第三衝程結束之間的任何時候從第二位置切換為第一位置。

如上所述，以相對較高的壓力噴射水和燃料。根據所需的供給壓力，可以使用至少一個高壓燃料泵和至少一個水泵實現增壓。此外，水和/或燃料可被加熱以便使得第五衝程期間的膨脹更有效。根據一個示例，使用定位在第一排氣管道內的熱交換器、使用第四衝程期間排出的排氣的高溫提供加熱。這樣，從水箱經由高壓泵供給的水可通過使用第四衝程期間排出 的排氣被預加熱，並且在第五衝程期間被噴射。類似地，從燃料箱經由高壓泵供給的燃料可通過使用第四衝程期間排出的排氣被預加熱並且在第五衝程期間噴射加熱的燃料。如果由排氣供至熱交換器的熱量是充分的，則水和(如果期望的話)燃料可過熱，也就是說被加熱至高於其在環境壓力下相應的沸點。這要求相應管道內的壓力足以在第五衝程期間在噴射之前防止管道內的瞬間沸騰。

上述方法的優點包括能夠通過利用廢熱加熱燃料和水以有助於蒸汽膨脹循環來從蒸汽膨脹循環提取附加功率和改進燃料消耗。通過將烴類燃料重整為包括氫氣、一氧化碳(以及可選地某些二氧化碳)的合成氣體，燃料的熱值——也稱為發熱量可增加20％。該增加的熱值取自否則將隨著排氣排出的廢熱。此外，通過利用廢熱執行燃料重整過程，可在隨後的燃料噴射或冷啟動期間用重整燃料替代烴類燃料。

此外，所述方法使得發動機能夠以四衝程模式運轉。這可通過保持第二排氣管道關閉來實現，因此排出的氣體僅穿過第一排氣管道排出。同時，阻止在第五和第六衝程期間所使用的水和燃料噴射，藉此僅使用前四個衝程和直接噴射的普通燃料來運行發動機。例如在發動機達到其常規操作溫度並且獲得第五和第六衝程所需的燃料增壓以及水的增壓和加熱之前的冷啟動操作期間，這是有利的。有利地，為了減少冷啟動期間的尾氣，發動機可使用儲存的重整燃料以四衝程模式運行。

本發明進一步涉及一種至少在六衝程模式下可操作的內燃發動機。所述發動機包括至少一個帶有進氣管道和排氣管道的汽缸，每個汽缸具有往復運動的活塞和至少一個進氣和排氣閥。所述六衝程模式包括：

-第一衝程，其中至少包括空氣的氣體被配置為從進氣管道被導入燃燒室；

-第二衝程，其中所述氣體和噴射燃料被配置為壓縮；

-第三衝程，其中壓縮的燃料/氣體混合物被配置為隨著點火而膨脹；

-第四衝程，其中燃燒排氣被配置為排出；

-第五衝程，其中增壓的燃料和增壓加熱的水被配置為噴射入燃燒室24以便膨脹；以及

-第六衝程，其中蒸汽和氣體燃料混合物被配置為排出。

根據本發明，排氣管道包括配置在排氣閥下遊和流動控制閥上遊的催 化劑體。催化劑體的體積可填充排氣閥與流動控制閥之間排氣管道的一部分或整個體積。可根據可用的排氣溫度、排氣管道的尺寸、使用的催化材料和/或待重整的燃料類型來選擇該體積。可選地，用於烴類燃料完全重整所需的催化劑體積可能要求擴大常規排氣管道。流動控制閥被配置為在第四衝程期間將排氣導入第一排氣管道，並且在第六衝程期間將排出的蒸汽和催化劑體內重整的燃料導入第二排氣管道。流動控制閥優選而非必然為可控的三通閥。可選的閥的非限定性示例是滑動、旋轉或往復運動閥。所述閥可例如通過輔助凸輪軸或通過適宜的電動或液壓工具被機械地控制。

第一排氣管道可包括被配置為在第五衝程期間噴射之前將來自第四衝程期間排出的排氣的熱量傳遞至加壓的水和(如果期望的話)燃料。

第二排氣管道可包括被配置為通過將蒸汽冷凝為水來消除蒸汽的冷凝器和被配置為在導入燃燒室之前收集重整燃料的箱體或儲存器。適於收集氣態重整燃料的箱體或儲存器包括一個或多個閥例如箱體與第二排氣管道之間的單向閥以及增壓工具例如噴射閥與箱體之間的泵。在第一衝程期間重整燃料例如可被噴射入進氣管道並且與導入的進氣混合。

本發明進一步涉及一種包括用於執行上述方法步驟的程序代碼工具的電腦程式，用於當所述程序在計算機上運行時控制內燃發動機。最後，本發明涉及一種承載包括用於執行根據權利要求1-9中任意一項所述的方法步驟的程序代碼工具的電腦程式的計算機可讀介質，電腦程式用於當所述程序產品在計算機上運行時控制內燃發動機。

本發明旨在通過進一步有效使用冷卻水和排氣中含有的廢熱來改進內燃發動機的熱效率，該熱量通常從發動機排入周圍的大氣。

附圖說明

參照附圖，下面更詳細說明本發明作為示例引用的實施例。附圖中：

圖1示出包括根據本發明的內燃發動機的車輛；

圖2示出適於實施根據本發明的方法的內燃發動機的示意圖；

圖3A-F示出圖2中內燃發動機在六衝程循環的每部分期間的示意圖；並且

圖4示出應用在計算機配置上的本發明的示意圖。

具體實施方式

圖1示出示意性表示的包括內燃發動機11的車輛10，所述內燃發動機在該示例中連接於變速器(未示出)以便驅動一對前輪。車輛10包括通過第一燃料供給管線13連接於發動機11的第一燃料箱12。發動機11進一步通過供水管線15和回水管線16連接於水箱14。最終，發動機11連接於用於由發動機11產生的重整燃料的第二燃料箱17，所述連接包括燃料收集線18和第二燃料供給管線19。

圖2示出根據本發明的示意性圖解的內燃發動機，該發動機11可在六衝程模式中操作。發動機11包括至少一個帶有進氣管道25和排氣管道32的汽缸20(示出一個)，每個汽缸20具有往復運動的活塞21和用於從進氣管道25引入導入空氣的至少一個進氣閥22，以及用於將排氣或其它氣體混合物排入排氣管道32的至少一個排氣閥23。從通過第一燃料供給管線13連接於發動機11的第一燃料箱12供給燃料並且在供給至被配置為將燃料直接噴射入燃燒室24內的燃料噴射器34之前通過第一高壓泵33使燃料增壓。優選而非必然通過令燃料穿過被來自燃燒過程的排氣所加熱的熱交換器30來加熱增壓燃料。如果不想加熱燃料，則提供燃料管13的旁路部分13』。發動機11進一步通過供水管線15連接於水箱14。在被供給至被配置為將水直接噴射入燃燒室24的水噴射器36之前，供水被第二高壓泵35所增壓。通過令加壓水穿過被來自燃燒過程的排氣所加熱的熱交換器30，加壓水被加熱、優選過熱。

排氣管道32包含配置在排氣閥23下遊和流動控制閥29上遊的排氣管道32內的催化劑體26，其中流動控制閥29被配置為隨著燃燒和膨脹衝程將燃燒排氣導入第一排氣管道27。隨著燃燒過程從燃燒室24導入第一排氣管道27的排氣將穿過並且加熱催化劑體26。排氣隨後穿過且加熱熱交換器30，在此之後其穿過排氣後處理系統(未示出)並且排入環境大氣。

要注意，圖2中的催化劑體26僅為示意性地表示。催化劑體的體積可填充排氣閥與流動控制閥之間排氣管道的一部分或整個體積。可根據可用的排氣溫度、排氣管道的尺寸、使用的催化材料和/或待重整的燃料類型來選擇其體積。可選地，完全重整烴類燃料所需的催化劑體積可能要求擴大常規的排氣管道。

流動控制閥29進一步被配置為隨著蒸汽膨脹衝程將排出的蒸汽和在穿 過催化劑體26期間重整的燃料導入第二排氣管道28。隨著蒸汽膨脹過程被導入第二排氣管道28的蒸汽和重整的燃料將穿過冷凝器31。在冷凝器31中，蒸汽被冷凝為水並且穿過回水管線15返回水箱14以便再利用。通過發動機11產生的氣態重整燃料將穿過連接於被配置為收集重整燃料的箱體17或儲存器的燃料收集管線18而離開冷凝器31。適於收集氣態重整燃料的箱體或儲存器可包括一個或多個閥，例如箱體與第二排氣管道或冷凝器之間的單向閥。此外，增壓工具例如泵(未示出)可配置在箱體內以將增壓的重整燃料供至箱體17與第二噴射閥38之間的第二燃料供給管線19。重整的燃料被噴射入進氣管道25並且與導入的進氣混合以便在進氣衝程期間進入燃燒室24。

該示例中的流動控制閥29是可控的三通閥，但任何適宜的滑動、旋轉或往復運動閥門可用於該目的。

圖3A-3F示出圖2中內燃發動機在六衝程循環的每個部分期間的示意圖。本發明包括以六衝程模式操作內燃發動機。如上所示，發動機包括至少一個帶有往復運動活塞21的汽缸20，每個汽缸具有至少一個進氣閥22和至少一個排氣閥23。本發明的方法包括按順序執行以下步驟：

-第一衝程，其中至少包括空氣的氣體從進氣管道25被導入燃燒室24；

-第二衝程，其中氣體和噴射的燃料被活塞21壓縮；

-第三衝程，其中壓縮的燃料/氣體混合物隨著點火而膨脹；

-第四衝程，其中燃燒的排氣穿過催化劑體26被排入第一排氣管道27；

-第五衝程，其中增壓的燃料和增壓加熱的水被噴射入燃燒室24以便膨脹；以及.

-第六衝程，其中蒸汽和氣態燃料混合物穿過催化劑體26被排入第二排氣管道28。

在該示例中，圖3A示出第一衝程，其中將進氣從進氣管道25穿過進氣閥22導入燃燒室24。此時適時關閉排氣閥23。如圖3A所示，在該衝程期間燃料可穿過第一燃料噴射器34被直接噴射入燃燒室24。可選地或額外地，此時重整燃料可通過進氣管道25內的第二燃料噴射器38被噴射入進氣。

圖3B示出第二衝程，其中包括空氣或空氣和重整燃料的導入氣體以及直接噴射的燃料被活塞21所壓縮。此時適時關閉進氣閥22和排氣閥23。

圖3C示出第三衝程，其中壓縮的燃料/氣體混合物隨著點火和隨後燃料/氣體混合物燃燒而膨脹。此時適時關閉進氣閥22和排氣閥23。

圖3D示出第四衝程，其中燃燒排氣穿過配置在排氣閥23下遊和流動控制閥29上遊的排氣管道32內的催化劑體26排出。因此排出的排氣用於加熱催化劑體26。在第四衝程期間，流動控制閥29配置在第一位置，排出的排氣在此被導入第一排氣管道27且穿過第一排氣管道27內的熱交換器30。此時適時關閉進氣閥22和打開排氣閥23。

圖3E示出第五衝程，其中增壓的燃料和加熱的水被噴射入燃燒室24從而在蒸汽循環中膨脹。在該衝程期間增壓的燃料(其也可被加熱)穿過第一燃料噴射器34被直接噴射入燃燒室24。同時，增壓和優選過熱的水穿過水噴射器36被直接噴射入燃燒室24。當增壓、過熱的水被噴射入燃燒室24時，水將蒸發為高壓蒸汽且觸發膨脹循環。增壓的噴射燃料將有助於膨脹並且將同時與蒸汽混合且被其加熱。額外的熱量可被接觸燃燒室的汽缸壁的燃料/蒸汽混合物所吸收。此時適時關閉進氣閥22和排氣閥23。

圖3F示出第六衝程，其中蒸汽和氣態燃料的混合物穿過配置在排氣閥23下遊和流動控制閥29上遊的排氣管道32內的催化劑體26被排出。排出的蒸汽和氣態燃料混合物被催化劑體26加熱並且當接觸催化劑時燃料被重整為氫氣(H2)和碳氧化物(CO/CO2)。在第六衝程期間，流動控制閥29配置在第二位置，排出的排氣在此被導入第二排氣管道28。在第二排氣管道28內，排出的蒸汽被冷凝和去除，同時重整燃料被收集在箱體內用於隨後與導入的進氣混合。此時適時關閉進氣閥22和打開排氣閥23。

圖4示出根據本發明一個實施例的設備40，包括非易失性存儲器42、處理器41和讀寫存儲器46。存儲器42具有第一存儲器部分43，其中存儲用於控制設備40的電腦程式。存儲器部分43內用於控制設備40的電腦程式可為作業系統。

設備40例如可被包裝在例如控制單元內，如圖1中的控制單元15。數據處理單元41例如可包括微型電子計算機。存儲器42還具有第二存儲器部分44，其中存儲根據本發明用於控制目標檔位選擇功能的程序。在可選實施例中，用於控制變速器的程序被存儲在獨立的非易失性數據存儲介質45例如CD或可替換半導體存儲器中。程序可以可執行形式或壓縮狀態被存儲。

當如下所述數據處理單元41運行特定功能時，應當清楚顯然數據處理單元41正在運行存儲器44內所存儲程序的特定部分或非易失性存儲介質42內所存儲程序的特定部分。

數據處理單元41被定製為通過第一數據總線51與存儲器45通信。數據處理單元41也被定製為通過第二數據總線52與存儲器42通信。此外，數據處理單元41被定製為通過第三數據總線53與存儲器46通信。數據處理單元41也被定製為通過第四數據總線54與數據埠49通信。

通過數據處理單元41，通過數據處理單元41運行存儲在存儲器44內的程序或存儲在非易失性存儲介質45內的程序，可實施本發明的方法。

要理解，本發明不局限於如上所述和以下附圖所示的實施例；相反地，本領域技術人員將承認，可在所附權利要求的範圍內進行很多變化和改進。