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CN106677926A - 一种缸内喷射过热水的内燃机结构 - Google Patents

一种缸内喷射过热水的内燃机结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种缸内喷射过热水的内燃机结构，包括内燃机缸体、节气门、喷油器、火花塞和喷水喷嘴，还包括冷凝器、换热器、三通电磁阀、高压水轨和电子控制单元，冷凝器连接在内燃机缸体的排气输出端，冷凝器输出端连接换热器以及三通电磁阀的第一输入端，换热器的输出端连接三通电磁阀的第二输入端，三通电磁阀的输出端连接高压水轨，高压水轨连接喷水喷嘴，本发明通过向缸内喷入高压过热水，利用过热水闪急沸腾，形成高温蒸汽并进一步吸收缸内热量，作为额外做功工质，提高内燃机系统热效率；通过建立控制模型实现缸内压力温度实时计算，以保证喷入水处于过热状态，提高了内燃机的热效率。

Description

一种缸内喷射过热水的内燃机结构
技术领域
本发明属于内燃机技术领域，尤其是涉及一种缸内喷射过热水的内燃机结构。
背景技术
机动车的能源消耗问题受到广泛关注，二氧化碳与油耗的排放标准也愈发严格。为了进一步提高机动车工作效率，降低能源消耗，目前提出了内燃机增压与小型化技术，在使用更高的进气压力后，可以在不损失功率与扭矩输出的情况下降低汽缸容积，从而降低燃油消耗量，小排量增压内燃机凭借这一优势，呈现出取代自然吸气内燃机成为机动车主流动力源的趋势。
但小排量增压内燃机的热效率受到爆震及早燃现象的限制，为了充分利用小排量增压内燃机的潜力，缸内喷水技术应运而生，其特点在于利用向缸内喷入冷水吸收热量，从而降低缸内压缩终了温度，从而避免爆震及早燃现象，可以进一步提高诸如增压压力和压缩比在内的内燃机参数，改善热效率表现。缸内喷水技术得到了学术界与工业界的广泛关注，如德国宝马汽车集团、德国博世集团、韩国现代汽车集团及德国FEV内燃机咨询公司在内的多家研究机构都开始对缸内喷水技术进行优化研究。
与此同时，气缸排出的尾气大约带走了气缸三分之一的热量，目前缸内喷入冷水可以降低缸内压缩终了温度，避免爆震及早燃现象，但依然没有解决缸内尾气热量的大量损耗问题，气缸尾气排出浪费了很多能耗，限制了内燃机热效率的提高。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种提高内燃机热效率的缸内喷射过热水的内燃机结构。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种缸内喷射过热水的内燃机结构，包括内燃机缸体，所述的内燃机缸体设有节气门、喷油器、火花塞和喷水喷嘴，该结构还包括冷凝器、换热器、三通电磁阀、高压水轨和电子控制单元，所述的冷凝器连接在内燃机缸体的排气输出端，冷凝器输出端连接换热器的输入端以及三通电磁阀的第一输入端，换热器的输出端连接三通电磁阀的第二输入端，三通电磁阀的输出端连接高压水轨，高压水轨连接喷水喷嘴，所述的节气门、喷油器、火花塞、喷水喷嘴以及三通电磁阀均连接电子控制单元，工作时，所述的冷凝器将内燃机缸体排气中的水蒸气冷凝回收，输送到换热器与高温排气换热，换热后的过热水通过三通电磁阀保存在高压水轨中，最后经喷水喷嘴喷入内燃机缸体内。
所述的冷凝器与换热器之间设有高压水泵，高压水泵将冷凝器的出水加压至15-25MPa输送到换热器。
所述的高压水轨设有热电偶和轨压传感器，内燃机缸体内设有压力传感器，所述的热电偶、轨压传感器和压力传感器连接电子控制单元。
所述的电子控制单元设有根据目标喷水温度控制三通电磁阀开闭的控制程序。
所述控制程序中的目标喷水温度按公式Ttarget＝-0.0078P4+0.3173P3-4.9057P2+41.769P+144.33计算，公式中Ttarget表示目标喷水温度，P表示缸内压力，由压力传感器测得。
由热力学第一定律可得，在已知缸内压力及容积的情况，可以通过理想气体方程PV＝nRT计算得到缸内温度，而后通过水及水蒸气焓值表格，建立拟合方程Ttarget＝-0.0078P4+0.3173P3-4.9057P2+41.769P+144.33，该模型植入电子控制单元中，用于实时对高压水轨的水温与目标水温进行比对，加热能量来自于内燃机的高温尾气，加热后的高压水通过电磁三通阀进入高压水轨中保存，高压水轨中的水温及压力分别由热电偶和轨压传感器测得，电子控制单元在获取当前温度与压力后，产生脉冲宽度调制(PWM)控制信号控制三通电磁阀的开闭，三通电磁阀连接冷凝水管路，可以控制常温水在高压水轨中的比重，从而实现对隔热高压水轨中水温的调节。为了保证缸内喷射工质处于过热状态，采用压力传感器对缸内燃烧过程压力进行实时采集，并通过电子控制单元中建立的控制模型实时获取不同工况下的目标喷水温度。
与现有技术相比，本发明维持喷水温度时刻处于过热状态，将高温高压水喷入缸内，过热水闪急沸腾，迅速蒸发为高温高压蒸汽，增加做功工质，并充分吸收缸内燃烧放热，继而推动活塞做功，提高内燃机热效率；与此同时，喷入缸内的过热水迅速增发的能力可以有效避免机油稀释的问题，改善缸内喷水内燃机的使用寿命，避免爆震、早燃，而加热水的热量来自于换热器对尾气能量进行回收，实现燃烧过程中的做功工质增加，达到循环利用，减少热量的损失，提高了内燃机的热效率。
附图说明
图1为本发明缸内喷射过热水的内燃机结构示意图；
图2为本发明的控制流程图；
图3为本发明缸内压力与目标喷水温度的对应关系图；
图中：1-节气门；2-喷油器；3-压力传感器；4-火花塞；5-喷水喷嘴；6-热电偶；7-轨压传感器；8-高压水轨；9-三通电磁阀；10-电子控制单元；11-换热器；12-冷凝器；13-高压水泵；14-内燃机缸体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
参照图1，一种缸内喷射过热水的内燃机结构，包括节气门1、喷油器2、压力传感器3、火花塞4、喷水喷嘴5、热电偶6、轨压传感器7、高压水轨8、三通电磁阀9、电子控制单元10、换热器11、冷凝器12、高压水泵13、内燃机缸体14，冷凝器12连接在内燃机缸体的排气输出端，冷凝器12输出端连接换热器11的输入端以及三通电磁阀9的第一输入端，换热器11的输出端连接三通电磁阀9的第二输入端，三通电磁阀9的输出端连接高压水轨8，高压水轨8连接喷水喷嘴5，冷凝器12将废气中的水蒸气冷凝为液态水进行回收，并通过高压水泵13加压至15-25MPa后传输至换热器11中进行加热，其加热能量来自于内燃机的高温尾气，加热后的高压水通过电磁三通阀9进入隔热高压水轨8中保存，高压水轨8中的温度及压力由热电偶6和轨压传感器7采集，采集温度后，在电子控制单元10中通过与目标喷水温度对比后，实时控制三通电磁阀的开闭，以控制隔热高压水轨8中高温高压水的温度。维持喷水温度的主要目的在于对不同内燃机工况下的燃烧过程中，将时刻处于过热状态的高温高压水喷入缸内，过热水闪急沸腾，迅速蒸发为高温高压蒸汽，增加做功工质，并充分吸收缸内燃烧放热，继而推动活塞做功，提高内燃机热效率；与此同时，喷入缸内的过热水迅速增发的能力可以有效避免机油稀释的问题，改善缸内喷水内燃机的使用寿命，通过废热回收与缸内过热水喷射显著提高内燃机热效率。
图2基于缸内实时压力确定目标喷水温度的控制流程图，压力传感器感应到缸内压力，通过电子控制单元计算目标温度Ttarget＝-0.0078P4+0.3173P3-4.9057P2+41.769P+144.33，目标温度与高压水轨中过热水的实际温度进行比较，若实际温度Trail小于目标温度，则电磁阀第一输入端关闭，若实际温度大于目标温度，则电磁阀第一输入端打开，注入冷凝水，其中拟合方程Ttarget＝-0.0078P4+0.3173P3-4.9057P2+41.769P+144.33由图3中的目标水温与缸内压力信号关系图获得，该模型被植入电子控制单元10中，用于实时对高压水轨8中的水温与目标温度进行比对，从而产生PWM控制信号控制三通电磁阀9的开闭，三通电磁阀9的连接至冷凝水管路，可以控制常温水在隔热高压水轨8中的比重，从而实现对隔热高压水轨8中水温的调节。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对该实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种缸内喷射过热水的内燃机结构，包括内燃机缸体(14)，所述的内燃机缸体(14)设有节气门(1)、喷油器(2)、火花塞(4)和喷水喷嘴(5)，其特征在于，该结构还包括冷凝器(12)、换热器(11)、三通电磁阀(9)、高压水轨(8)和电子控制单元(10)，
所述的冷凝器(12)连接在内燃机缸体(14)的排气输出端，冷凝器(12)输出端连接换热器(11)的输入端以及三通电磁阀(9)的第一输入端，换热器(11)的输出端连接三通电磁阀(9)的第二输入端，三通电磁阀(9)的输出端连接高压水轨(8)，高压水轨(8)连接喷水喷嘴(5)，所述的节气门(1)、喷油器(2)、火花塞(4)、喷水喷嘴(5)以及三通电磁阀(9)均连接电子控制单元(10)，
工作时，所述的冷凝器(12)将内燃机缸体(14)排气中的水蒸气冷凝回收，输送到换热器(11)与高温排气换热，换热后的过热水通过三通电磁阀(9)保存在高压水轨(8)中，最后经喷水喷嘴(5)喷入内燃机缸体(14)内。
2.根据权利要求1所述的一种缸内喷射过热水的内燃机结构，其特征在于，所述的冷凝器(12)与换热器(11)之间设有高压水泵(13)，高压水泵将冷凝器的出水加压至15-25MPa输送到换热器。
3.根据权利要求1所述的一种缸内喷射过热水的内燃机结构，其特征在于，所述的高压水轨(8)设有热电偶(6)和轨压传感器(7)，内燃机缸体内设有压力传感器(3)，所述的热电偶、轨压传感器和压力传感器连接电子控制单元。
4.根据权利要求3所述的一种缸内喷射过热水的内燃机结构，其特征在于，所述的电子控制单元设有根据目标喷水温度控制三通电磁阀(9)开闭的控制程序。
5.根据权利要求4所述的一种缸内喷射过热水的内燃机结构，其特征在于，所述控制程序中的目标喷水温度按公式Ttarget＝-0.0078P4+0.3173P3-4.9057P2+41.769P+144.33计算，公式中Ttarget表示目标喷水温度，P表示缸内压力，由压力传感器(3)测得。
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