[0002] 本
专利申请要求于2018年10月29日提交的、意大利专利申请号102018000009870的优先权，其全部公开内容通过引用并入本文。
技术领域
[0003] 本
发明涉及一种设置有供应水基操作液的系统的内燃发动机。
[0004] 本发明可有利地应用于配备有供应水的系统的内燃发动机，所述水被喷射到
燃烧室内，下面的讨论将在不丧失其一般特征的情况下对其进行明确的参考。
背景技术
[0005] 如已知的那样，在内燃发动机中，已经提出将除了
燃料之外的水供应到在
气缸内限定的燃烧室。
[0006] 在内燃发动机中，水喷射系统包括将水以喷雾或与燃料混合的形式通过进气管道引入到发动机内，或引入直接到燃烧室中，以冷却空气/燃料混合物并增强抗爆炸现象的性能。水具有高的潜在
汽化热，换言之，它需要大量的
能量才能从液体变到气态。将室温下的水喷射到进气管道内时，它会从进入的空气以及从金属壁吸收热量，从而
蒸发，然后冷却进入的装料。因此，发动机吸入更新鲜的空气，换言之，吸入更浓的空气，提高容积效率，并减少爆炸的可能性。此外，可以喷射更多的燃料。在压缩过程期间，存在在微小液滴的水蒸发并从压缩空气吸收热量，将其冷却并降低压
力。压缩之后进行燃烧，这具有进一步的有益作用。燃烧产生大量的热量，这些热量被水吸收，从而降低循环峰值
温度，从而减少NOx的生成以及发动机壁必须吸收的热量。这种蒸发还将发动机热量的一部分(否则会被浪费掉)转化为压力，该压力恰好由所形成的
蒸汽提供，从而增加了
活塞上的推力，并在排气时进一步增加进入任何
涡轮机的能量流。此外，由于由额外的水所执行的热量吸收，因此
涡轮机将受益于排出气体温度的降低。
[0007] 水供应系统包括储罐，其装满有
软化水以避免形成任何水垢。通常情况下，从车辆外部对储罐进行补充，或者也可以利用
空调的冷凝来对储罐进行补充，利用从排气的冷凝或甚至输送的雨水。此外，储罐通常设置有电加热装置(即储罐设置有在
电流流过其时因焦
耳效应而产生热量的
电阻)，其在外部温度特别严寒情况下用于融化任何
冰。
[0008] 专利申请US 2014116404A1公开了一种内燃发动机，其包括：多个气缸，所述气缸限定各自的燃烧室；由来自燃烧室的排出气体流过的排气管道；以及通到燃烧室的水喷射系统。喷射系统包括设计成容纳一定量的水(从再循环排出气体冷凝)的储罐以及加热装置，该加热装置与储罐联接、设计成加
热容纳在储罐中的水并且将电阻或内燃发动机的
冷却液用作热源。
[0009] 专利申请WO 2010092684A1公开了一种内燃发动机，其中喷射到燃烧室中的燃料是氢气(容纳在第一储罐中)，并且其中供应到燃烧室中的燃烧剂是添加了氩气的纯
氧(容纳在第二储罐中)，所述氩气从排气中回收。特别地，在排气管道中，氩气和水之间发生分离，所述水冷凝并收集在第三储罐中，然后在已经用于冷却排出气体之后散布到环境中。
发明内容
[0010] 本发明的目的是提供一种设置有水基操作液的供应系统的内燃发动机，其中所述内燃发动机具有高能量效率，并且同时易于制造且成本低。
[0011] 根据本发明，提供一种内燃发动机，其包括：
[0012] 至少一个气缸，所述气缸限定燃烧室，在燃烧室中在燃烧之后产生排出气体；
[0013] 排气管道，排出气体流过排气管道离开燃烧室；以及
[0014] 向燃烧室供应水基操作液的系统，该系统包括：储罐，其设计成容纳一定量的水基操作液；以及加热装置，该加热装置联接至该储罐并设计成加热容纳在储罐中的水基操作液；
[0015] 其中加热装置包括第一液-液
热交换器，该第一液-液热交换器与储罐联接，并且设计成加热容纳在储罐中的水基操作液；
[0016] 该内燃发动机的特征在于，所述加热装置包括：
[0017] 第二气-液热交换器，该第二气-液热交换器设计成由沿排气管道流动的至少一部分排出气体流过；以及
[0018] 液压回路，该液压回路设计成传送完全与水基操作液和与排出气体分开的不同交换
流体通过第二热交换器以便将热量从排出气体传递到交换流体，并且通过第一热交换器以便将热量从交换流体传递到储罐中的水基操作液。
[0019]
权利要求描述构成本
说明书的一体部分的本发明的
实施例。
附图说明
[0020] 现在将参考示出非限制性实施例的附图来描述本发明，其中：
[0021] 图1是设置有用于至少一个燃烧室的水供应系统的内燃发动机的示意图；
[0022] 图2示意性地示出图1所示的水供应系统；以及
[0023] 图3是图1所示的内燃发动机安装在其中的公路车辆的示意图。
具体实施方式
[0024] 在图1中，附图标记1总体上指示内燃发动机2中的水供应系统；水被送往形成在内燃发动机2的气缸中的燃烧室，以增加燃烧效率和/或所产生的功率。在燃烧之后，在每个气缸的燃烧室中产生排出气体。这些气体被输送通过排气管道3(在图2中部分地且示意性地示出)，然后在适当处理(例如在催化剂中)之后被引入到外部环境中。
[0025] 供应系统1包括容纳有大量水的储罐4和
泵5，泵5抽吸在储罐4内的水，并将加压水送到水供应管道6。多个喷射器7连接到供应管道6的一端部部分并将处于低压的水喷射到相应的进气管道内，新鲜空气通过这些进气管道被朝向气缸输送。根据另一个实施例，喷射器7可以将加压水直接喷射到气缸内部(在这种情况下，通常设置另外的高压泵)。根据另一实施例，由供应系统1供应的水与喷射到气缸中的燃料混合。
[0026] 沿着供应管道6并且紧接在泵5的下游，存在最大压力
阀8，即当供应管道6内的压力超过预定
阈值时，该阀打开以将多余的水重新引入到储罐4中。这意味着最大压力阀8用作压力调节器，以防止在供应管道6内部的压力超过预定阈值。
[0027] 根据替代的且完全等效的实施例，在泵5的下游(例如在与喷射器7连接的公共通道中)设置压力
传感器，并且对泵5的流速进行反馈调节以将泵5下游的压力维持在理想值附近，该理想值也可以根据发动机点而变化。在该实施例中，最大压力阀8不存在或者仅出于安全原因而存在(即其仅在控制错误或故障时才进行干预)。
[0028] 如图2中所示，供应系统1包括加热装置9，该加热装置9联接至储罐4，并且设计成加热容纳在储罐4中的水。特别地，加热装置9包括液-液热交换器10，其将由内燃发动机2产生的排出气体的一部分热量(根据下述方法)传递到储罐中所容纳的水。除了热交换器10之外，加热装置9还可以包括电阻(即借助于焦耳效应将
电能转换成热量的元件)。
[0029] 如图2中所示，加热装置9包括气-液热交换器11，其设计成由沿着排气管道3流动的至少一部分排出气体流过。此外，加热装置9包括液压回路12，其设计成传送交换流体(例如添加了防冻剂和防腐添加剂的水)通
过热交换器11以将热量从排出气体传递到交换流体，以及通过热交换器10以便将热量从交换流体传递到容纳在储罐4中的水。应该指出的是，在液压回路12中流动(
定位)的交换流体是完全独立的，并且与供应系统1中流动(定位)的水分开以及与排气管道3中流动(定位)的排出气体分开。实际上，如图2中清楚所示，液压回路12与供应系统1和与排气管道3都流体地(即液压地和
气动地)隔离。
[0030] 还设置液-气热交换器13，其是液压回路12的一部分，并且由交换流体流过以将热量从交换流体传递到外部环境。这意味着热交换器13是
散热器，其功能是通过将热量传递到外部环境来冷却交换流体。
[0031] 液压回路12包括：输送管道14，其将热交换器11的(液体)出口连接到热交换器13的(液体)入口；以及
回流管道15，其将热交换器13的(液体)出口连接到热交换器11的(液体)入口。这意味着较热的交换流体(因为它已在热交换器11中被加热)通过输送管道14从热交换器11流到热交换器13，而较冷的交换流体(因为它已在热交换器13中被冷却)通过回流管道15从热交换器13流到热交换器11。
[0032] 此外，液压回路12包括将输送管道14连接到热交换器10的入口的输送管道16，以及将热交换器10的出口连接到输送管道14(显然在输送管道16的下游)的回流管道17。换言之，输送管道16从输送管道14获取一部分较热的交换流体(因为它已在热交换器11中被加热)，以传送交换流体通过热交换器10。然后，离开热交换器10的交换流体从回流管道17返回到输送管道14(显然在输送管道16的下游)
[0033] 液压回路12包括调节
电磁阀18，该调节电磁阀18设计成调节流过热交换器10的交换流体的流率。特别地，调节电磁阀18沿着输送管道16布置(例如在输送管道16的开始处，即在输送管道16从输送管道14的分支处)以调节从输送管道14转移到输送管道16的交换流体的流率。
[0034] 液压回路12包括
循环泵19(由电动
马达驱动)，该循环泵19使交换流体沿液压回路12循环。在附图中所示的实施例中，循环泵19沿回流管道15布置，然而，根据未示出的其他实施例，循环泵19具有不同的定位，例如沿着输送管道14的定位。
[0035] 设置有进气管道20，其将排气管道3连接到热交换器11的(气体)入口，以及设置有回流管道21，其将热交换器11的(气体)出口连接到排气管道3，显然回流管道21在进气管道20的下游。通过示例的方式，进气管道20源自于排气管道3，紧接在催化剂的下游。进气管道
20与调节电磁阀22联接，该调节电磁阀22设计成调节从排气管道3进入进气管道20的排出气体的流率。在附图中所示的实施例中，调节电磁阀22在进气管道20的开始处布置在排气管道3中，而根据未示出的其他实施例，调节电磁阀22具有不同的定位(例如在进气管道20内部并且或多或少地靠近排气管道3)。
[0036] 冷凝水分离器23沿着回流管道21布置并且靠近热交换器11，所述分离器设计成分离排出气体中存在的冷凝水，即在热交换器11中发生排出气体冷却之后在排气气体中形成的冷凝水。例如，冷凝水分离器23可以是旋
风式或离心式的。设置有供应管道24，该供应管道24将冷凝水分离器23连接至储罐4，以将从冷凝水分离器23分离的冷凝水供给到储罐4中。
[0037] 根据一个优选实施例，沿着供应管道24设置设计成对冷凝水进行
净化处理的处理装置25。例如，处理装置25可以包括机械
过滤器，该机械过滤器阻挡固体颗粒(即那些具有太大尺寸即大于过滤器网眼宽度的尺寸的颗粒)，并且可以进一步包括化学过滤器(例如具有
活性炭)，该化学过滤器阻止冷凝水中存在的离子(尤其是
钙和镁)。
[0038] 在储罐4的内部设置有温度传感器26，该温度传感器26设计成测量容纳在储罐4中的水的温度。沿着回流管道21并且在交换器11与冷凝水分离器23之间，设置有温度传感器27，该温度传感器27设计成测量离开热交换器11并进入冷凝水分离器23的排出气体的温度。设置有控制单元28，该控制单元28连接到两个温度传感器26和27，并且控制调节电磁阀
18和22以及循环泵19的电动马达。
[0039] 在使用中，控制单元28基于由温度传感器26测得的温度来调节调节电磁阀18的开度，以便避免形成冰或以便使储罐4中存在的任何冰融化，并且以便使得容纳在储罐4中的水经受
热处理以防止
微生物的增殖(如将在后面更好地描述的那样)。通常情况下，控制单元28总是试图通过利用排出气体所具有的热量(该热量是“自由的”，因为它是可用的，并且在任何情况下都散布到环境中)并且避免将容纳在储罐4中的水加热到高于60℃-75℃的温度(以免损坏储罐4的通常由塑料制成的部件)来加热容纳在储罐4中的水。换言之，在使用中，控制单元28执行反馈控制，该反馈控制基于在容纳在储罐4中的水的期望温度和容纳在储罐4中的水的实际温度(通过温度传感器26测量)之间的差而作用于调节电磁阀18的开度。
[0040] 在使用中，控制单元28基于由温度传感器27测得的温度来调节调节电磁阀22的开度，以优化排出气体中的水的冷凝(通常情况下，当排出气体出口温度低于45-55℃时，冷凝是高的)，并避免对冷凝水分离器23(通常情况下，冷凝水分离器23无法承受高于65-75℃的温度)造成损坏。换言之，在使用中，控制单元28基于在离开热交换器11的排出气体的期望温度和离开热交换器11的排出气体的实际温度(通过温度传感器27来测量)之间的差执行作用于调节电磁阀22的开度的反馈控制。
[0041] 储罐4中容纳的水可以包含微生物(例如细菌，孢子……)或生物体，其大小使得它们不能用肉眼看到(小于0.1mm)。这些微生物会随着时间在储罐4内增殖，从而产生菌落，这些菌落例如会(部分地或完全地)阻塞泵5的进水口，或者可被泵5吸入然后朝向喷射器7发送，具有堵塞泵5、布置在泵5下游的任何过滤器、喷射器7的风险，或者具有如果它们到达形成在内燃发动机2的气缸中的燃烧室，则会可能降低性能和/或可能增加污染物地危害燃烧的风险。换言之，存在于储罐4中的水中存在的微生物可以随时间而增殖并且数量增加，例如导致在储罐4的壁上的形成藻类或
生物膜。从壁脱离的这种藻类或生物膜会阻塞泵5的入口，或者甚至被泵5吸入，从而到达喷射器7和/或在气缸中形成的燃烧室。
[0042] 根据优选实施例，储罐4具有其唯一的供应管道24的入口，因此仅且唯一地从供应管道24接收水。换言之，向储罐4充水的唯一方法是使用来自冷凝水分离器23的冷凝水。以这种方式，储罐4是(应该是)不受外部污染的封闭系统，也就是说，它不能接收包含微生物的水，微生物可能在储罐4内增殖并导致有害杂质形成。在这方面，应当指出的是，来自燃烧室的水已经经受非常高的温度(如果不高于1000℃，则接近1000℃)并且还经受非常高的压力，因此完全没有活的微生物。
[0043] 显然，在供应系统1的组装或维护期间，总是有可能使容纳在储罐4中的水被进入储罐4或与储罐4液压连接的其他元件的微
生物污染。
[0044] 因此，控制单元28还驱动加热装置9以将容纳在罐4中的水加热到高于60℃(优选地70℃)的温度，以便获得容纳在储罐4中的水的热处理(即一种灭菌/巴氏灭菌)，或者以便由于热量而获得容纳在储罐4中的水3中存在的微生物的浓度的降低。应该指出的是，使用加热装置9进行的热处理是一种灭菌(即部分，不完全灭菌)，因为考虑到它不能达到非常高的温度(高于100℃)以避免损坏储罐4或容纳在储罐4中的部件，在热处理结束时，容纳在储罐4中的水在医学上不是“无菌的”，而是显著减少了微生物的存在。
[0045] 换言之，控制单元28使用(每次开启内燃发动机2时)加热装置9(最初仅以
防冰功能设置)以便使得在储罐4中容纳的水经受热处理，该热处理旨在(尽可能)减少
植物性形式的微生物、细菌以及利用长时间的作用，甚至减少一些细菌孢子。
[0046] 实验测试已经表明，将容纳在储罐4中的水在70℃至75℃下加热至少2-5分钟将降低总细菌浓度的90％-98％。
[0047] 一个可能的实施例提供至少一个含
银的主体，该至少一个含银的主体与水
接触地布置在储罐4中并且具有抗菌特性。换言之，银具有自然的抑菌特性，该特性使储罐4中的水的细菌浓度受到控制，从而避免藻类和生物膜随时间而增殖。含银主体的功能是当车辆长时间停放(关闭)(这样就不会加热储罐4中的水)时(例如在车辆生产和销售之间)限制微生物增殖。
[0048] 根据一个可能的实施例，液压回路12专用于加热装置9，即液压回路12仅由加热装置9使用。
[0049] 根据一个替代实施例，液压回路12与内燃热马达2安装在其中的车辆(在图3中示意性地示出)的空调系统(在图3中以虚线示意性地示出)部分地共享；特别地，液-气热交换器13(即
散热器)和/或循环泵19都是加热装置9的液压回路12和空调系统的冷却装置(即空调)的液压回路的一部分。在该实施例中，为了简单起见，在液压回路12中循环的交换流体通常(但不是必须)与在空调系统的冷却装置的液压回路中循环的交换流体相同。
[0050] 特别地，设置电磁阀，操作该电磁阀以便将液-气热交换器13的液压连接和/或循环泵19的液压连接从加热装置9的液压回路12切换到空调系统的制冷系统的液压回路，以及反之亦然。以这种方式，可以减少实现液压回路12所需的新部件的数量，并且因此可以减少液压回路12的重量、体积和成本。
[0051] 请注意，仅当外部温度低于零时(即当储罐4中的水可能结冰时)，才使用加热装置9的液压回路12，并且在这种环境条件下，绝不使用空调系统的制冷系统。因此，加热装置9的液压回路12和空调系统的冷却装置的液压回路可以共享部件而没有任何问题，因为它们绝不会一起使用(同时)。
[0052] 在附图中所示的实施例中，储罐4容纳有水，水被喷射到形成在内燃发动机2的气缸中的燃烧室中，以增加燃烧效率和/或增加所产生的功率。根据未示出的不同实施例，储罐4容纳尿素水溶液(或包含尿素的水基操作液)，其沿着排气管道3在SCR催化剂的上游喷射。
[0053] 在不脱离本发明的保护范围的情况下，本文所述的实施例可以与彼此组合。
[0054] 上述供应系统1具有若干优点。
[0055] 首先，由于加热装置9仅使用由排出气体所具有的热量，如上所述的供应系统1的加热装置9允许在不消耗任何能量的情况下连续加热容纳在储罐4中的水(即在内燃发动机2的整个操作时间期间)。这种热量是可用的并且是“自由的”，因为不管怎样它都散布到环境中。
[0056] 此外，供应系统1设计成从排出气体的冷凝中产生用于储罐4的水，因此不需要任何类型的外部再填充，即从不要求车辆使用者从外部给储罐4补给燃料。以这种方式，简化了车辆的使用。
[0057] 由于在内燃发动机2的操作期间连续产生用于储罐4的水的事实，所以储罐4甚至可以非常小，因为它只是自供功率系统的
肺状部件。因此，储罐4可以具有几升(例如3-5升)的容积，从而有利地减小体积和重量。由于待加热的水(或待融化的冰)的
质量较小，因此，储罐4的小尺寸还允许迅速加热容纳在储罐4中的水。
[0058] 最后，上述供应系统1的加热装置9在内燃发动机2点火之后可立即操作，因为自第一次燃烧以来排气气体非常热，这与例如内燃发动机2的冷却液不同，内燃发动机2的冷却液可能需要10-15分钟才能达到温度。
[0059] 附图标记清单
[0060] 1 供应系统
[0061] 2 内燃发动机
[0062] 3 排气管道
[0063] 4 储罐
[0064] 5 泵
[0065] 6 供应管道
[0066] 7 喷射器
[0067] 8 最大压力阀
[0068] 9 加热装置
[0069] 10 热交换器
[0070] 11 热交换器
[0071] 12 液压回路
[0072] 13 热交换器
[0073] 14 输送管道
[0074] 15 回流管道
[0075] 16 输送管道
[0076] 17 回流管道
[0077] 18 调节电磁阀
[0078] 19 循环泵
[0079] 20 进气管道
[0080] 21 回流管道
[0081] 22 调节电磁阀
[0082] 23 冷凝水分离器
[0083] 24 供应管道
[0084] 25 处理装置
[0085] 26 温度传感器
[0086] 27 温度传感器
[0087] 28 控制单元
