[发明专利]用于减少内燃机的排放的方法以及内燃机

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于减少内燃机的排放的方法，如权利要求1的前序部分所限定的，该内燃机包括至少一个汽缸以及布置在该汽缸内的往复式活塞。本发明还涉及一种内燃机，如权利要求11的前序部分所限定的，该内燃机包括至少一个汽缸以及布置在该汽缸内的往复式活塞。

背景技术

由于对于内燃机的有害氮氧化物（NO_X）、一氧化碳（CO）、挥发性烃（HC）、颗粒物质（PM）以及其他排放物排放标准设定越来越严格的要求，内燃机制造商必须找到满足该要求的新的方法。同时，内燃机的燃料效率应该被提高以使二氧化碳（CO₂）排放减速并且确保内燃机的经济操作。

通常，NO_X排放可通过减小燃烧室中的温度来减小。这样做的一个方法就是应用所谓的利用改进的进气关闭过程的米勒循环。存在两种米勒循环的变型：在第一变型中，进气阀仅在下死点之后被关闭，这意味着压缩冲程的一部分不用于压缩。这常常用于火花点燃式内燃机以获得更高的热效率和较低的爆震倾向。在米勒循环的另一变型中，利用进气阀的提早关闭。当进气阀在活塞到达下死点之前被关闭时，汽缸中的压力和温度将在压缩冲程的末端较低。米勒循环的该变型常常用于压缩点火式内燃机。由于进气阀的提早关闭造成的汽缸中的较小空气量通常由足够的增压比来补偿。

减少内燃机的NO_X排放的另一方法是使用排气再循环（EGR），其中排气的一部分被引导回到汽缸。因为再循环的排气的热容高于空气的热容，因此由燃烧释放的相同的能量导致利用EGR的内燃机中的低温升高。而且汽缸内的低氧质量和燃烧速度的减慢有助于实现低温升高。EGR系统能是内部的或外部的。在外部EGR系统中排气从排气歧管被再循环到进气汽缸，然而在内部EGR系统中排气被捕获在汽缸内，或利用从排气歧管到燃烧室中的回流。EGR系统的效果可通过冷却再循环排气被改善。外部EGR系统的缺点在于在将排气引回到汽缸中之前必须从其去除杂质。尤其是当利用重燃油（HFO）时情况是这样的。如果杂质不从再循环排气被去除，则再循环可能导致对中间冷却器、涡轮增压器和内燃机的其它部件的损坏。另一方面，排气杂质使得EGR系统更复杂。

日本专利申请JP11223137A公开了一种用于米勒循环内燃机的进气和排气阀控制器。该发明的目的在于通过在吸入阀关闭之后进气冲程期间暂时打开用于内部EGR的排气阀来减少NOx排放，并且在燃烧室中存在低压。与外部EGR相比，这种内部EGR的缺点在于不能冷却再循环排气，并且因此不能实现最佳可能NOx减少效果。

减少NOx排放的又另一方法是注水。水可被直接注入燃烧室或进气歧管以降低燃烧室中的温度并因此减少NOx排放。日本专利申请JP9144606A公开了一种内燃机，其中NOx排放通过外部EGR并且直接将水注入燃烧室而减少。直接注水的缺点在于其干扰燃烧并因此导致差的燃料经济。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能有效减少内燃机的NOx排放的方法。本发明的另一目的在于提供一种具有非常低的NOx排放和良好燃料效率的内燃机。根据本发明的方法的表征特征在权利要求1的特征部分中给出。根据本发明的内燃机的表征特征在权利要求11的特征部分给出。

根据本发明，在用于减少内燃机的排放的方法中，其中该内燃机包括至少一个汽缸、布置在所述汽缸内的往复式活塞、被连接至所述汽缸以用于将进气引入该汽缸的进气通道、被连接至所述汽缸以用于将排气引出该汽缸的排气通道、用于打开和关闭所述进气通道和所述汽缸之间的连接的至少一个进气阀以及用于打开和关闭所述排气通道和所述汽缸之间的连接的至少一个排气阀，所述进气阀在所述活塞在进气冲程期间到达下死点之前在第一预定曲柄角下被关闭，以减小所述汽缸中的压力。在关闭所述进气阀之后，所述排气阀在第二预定曲柄角下被重新打开以使排气从所述排气通道流入所述汽缸。在所述排气阀被关闭以防止排气流入所述汽缸之前，将水注入所述排气通道。

当内部EGR与米勒循环和水注入排气通道相结合时，获得了非常低的NOx排放和良好的燃料效率。米勒循环的使用降低了峰值汽缸温度，而再循环排气有助于在整个循环期间保持温度较低。所注入的水在汽缸中蒸发并且还降低温度。因为被注入到排气通道中，水与进气和排气良好混合并且不会干扰燃烧。甚至能在没有选择性催化还原的情况下实现针对NOx排放的IMO Tier III（国际海事组织三级）要求。所注入的水还有助于保持排气阀清洁。与具有外部EGR的系统相比，该方法不太复杂并且避免了排气中的杂质问题。该方法甚至能应用于以HFO运转的内燃机。