CN101571084A - 电喷水助燃节能器 - Google Patents

Abstract

一种装置在内燃机上使用的电喷水助燃节能器，利用安装在内燃机不同部位上的各种传感器，测得内燃机的各种工作参数，按照在电脑ECU中设定的控制程序，实现精确喷射量，以及喷射定时随运行工况的实时控制。燃料喷射器与水喷射器的最高喷射量比例是：70％/30％送入气缸内，在高温高压的条件下，产生一系列机理化学反应，本发明技术因各种燃料的燃烧机理不同，环保的作用也不同，但对内燃机的动力提升作用是没有改变的，因为水气雾在气缸内经高温高压下二次雾化后，以1700倍体积迅速膨胀，对动力活塞具有很强推动力，从而大幅度提高内燃机的功率，有效控制烟气中污染物质和气体的排放。

Description

电喷水助燃节能器

所属技术领域

本发明专利是涉及内燃机上加装的一种环保、节能、及提高动力性能的电喷水助燃节能装置。

背景技术

现有的内燃机使用的燃料(包括柴油、汽油、乙醇燃料、氢燃料、煤气)，对内燃机的抗爆震、节能，和排放都有一定的局限性，耗能量大，有害排放超标。而乳化燃油虽然对抗爆震、节能和排放虽有一定的改善，但在成本、加工、和运输储存都是一个很繁琐的过程，而且长时间存放，会使油水分离，使产品脱离原质性。

发明内容

为克服现有燃料对节能环保的局限性，本发明提供一种电喷水助燃节能的装置，该电喷水助燃节能器能可以在各种内燃机上使用，因与各种燃料的燃烧机理不同，环保的作用也有区别，但对内燃机的动力提升作用是没有改变的，水气雾在气缸内经高温高压下二次雾化后，以1700倍体积迅速膨胀，对动力活塞具有很强推动力。

本发明解决其技术问题采用技术方案是：一种电喷水助燃节能装置，包括利用资源丰富的清洁水，采用电喷技术，经控制单元电脑ECU采集动态进节气门传感器、节气门开度传感器、进气温传感器、缸盖温度传感器、转速(角标)传感器、等信号，再根据行车中各种工况，如爬坡、加速、滑行、减速、怠速、温度、发动点火等动态，将实时检测的参数同时输入电脑ECU，与已储存的设定参数值进行比较，经过处理计算按照最佳值或计算后的目标值把指令送到执行器。执行器根据电脑ECU指令控制喷射量和喷射正时(正时控制阀开闭或电磁阀关闭始点)，使内燃机运行状态达到最佳。

在现有的电喷内燃机的每个气缸进气门口前上方加装水电喷射器。清洁水、水箱、电水泵、输水管、水滤清器、水电喷器、回水管、水压调压器、分进气歧管构成水电喷射单元；燃料箱、燃料、电燃料泵、燃料管、燃料电喷器、燃料回管、燃料调压器构成燃料电喷射单元。水电喷射单元和燃料电喷射单元由各传感器采集信号，送至电脑ECU控制单元根据各环境工况的实现同步精确喷量，电脑ECU还可以控制内燃机关机自动延迟关机，在延迟时间内可以清除残余雾气。目前还没有出现有一种能利用燃料与水的不同物化学特性，使用精确电喷技术的电喷水助燃节能器。其燃料喷射器与水喷射器的最高喷射量比例是：燃料70％/水30％，通过电喷器高压雾化与空气混合，以最适当的燃烧配比，此过程能起到“中冷”降低进气温度作用，进入气缸内，当活塞接近压缩上止点时，进入气缸内部分水雾粒相撞形成燃料包水颗粒，气缸内混合与燃烧的时间很短，随着燃料温度升高，少量的燃料分子首先分解，并与空气中的氧分子进行化学反映，具备着火条件而着火，形成了火源中心，可燃混合气的形成与燃烧过程是同时，连续重叠进行的，即边喷射，边微爆，边混合，边燃烧。事实证明，在高温条件下使燃料包水颗粒与水雾粒以1700倍体积迅速膨胀、爆炸，发生的瞬间汽化膨胀所产生的微爆，将燃料滴炸成更为细小的无数个燃料颗粒，使燃料颗粒与空气中的氧混合接触的比表面积成倍提高，使燃料颗粒与空气的氧混合接触的比表面积成倍提高，做到了配风条件也无法满足的缺氧区内的充足供氧，形成二次燃烧条件，同时，水微粒高速汽化中所含的氧与细小燃料颗粒中的炭，均匀而充分结合形成一氧化碳被完全燃烧，从而大大提高了喷燃雾化效果，克服了燃料粘度对雾化的影响，使燃烧速度加快，火焰强度提高，减少了后区的燃烧，降低了尾气温度，并相应提高了燃料热值的有效转换效率，提高了燃料品的抗爆性能，降低了烟气中污染物质和气体的排放，预防和消除内燃机燃烧室、气门、火花塞、排气管等部位积炭产生。

本发明技术装置在内燃机上使用，与现有内燃机上没有安装本发明技术装置使用同一种燃料的功效相比，以汽油试验为例，本发明的实现能提高燃油质量，首先可使氧含量达到3.1％，助燃效果好，其次使辛烷值提高2-3单位，提高了油品的抗爆性能，节油量达5％-30％，降低尾气有害排放，经检测，烟气中氮氧化物的含量下降21％以上，颗粒悬浮物下降50％以上，硫化物也有一定和不宜长时间存放等缺点的下降，动力提升20％，预防和消除内燃机燃烧室、气门、火花塞、排气管等部位积炭产生，延长内燃机的使用寿命。本发明的实现，可以在所有的内燃机上配合使用，与乳化燃料油相比，减少乳化的成本，节省了前期的人力、机械加工，道路运输，仓库的储存。本发明具有结构简单、功耗低、易于安装、成本低、操作方便，核心技术是达到了节能和环保。

本发明的有益效果是，可以适用各种内燃机型上使用，已有电喷的内燃机可以加装相关设备即可。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明

附图1：电喷水助燃节能器总结构原理图

附图2：电喷水助燃节能器ECU电路图

附图3：电喷水助燃节能器电路路由图

附图4：电喷水助燃节能器多点喷射结构图

具体实施方案

图1中，1.电脑ECU，2.进气温传感器，3.节气门开度传感器，4.缸盖温度传感器，5.转速传感器，6.氧传感器，7.点火线圈，8.火花塞，9.水，10.水箱，11.电水泵，12.水滤清器，13.输水管14.水电喷器，15.回水管，16.水压力调节器，17.燃料箱，18.燃料，19.电燃料泵，20.燃料管，21.燃料滤清器，22.燃料电喷器，23.回燃料管，24.燃料压力调节器，25.节气门，26.进气歧管27.空气压力传感器28.手动开关。

参照附图1：由水箱(10)、清洁水(9)、可控电水泵(11)、输水管(13)、水滤清器(12)、水电喷器(14)、回水管(15)、和水压调压器(16)，构成水电喷射单元；由燃料箱(17)、燃料(18)、可控电燃料泵(19)、燃料滤清器(21)、燃料管(20)、燃料电喷器(22)、回燃料管(23)、燃料调压器(24)、构成燃料喷射单元；水电喷射单元和燃料喷射单元，由一个电子控制装置ECU(1)为控制中心，利用安装在内燃机不同部位上的各种传感器，进气温传感器(2)、节气门开度传感器(3)、缸盖温度传感器(4)、转速传感器(5)、氧传感器(6)、测得内燃机的各种工作参数，按照在电脑中设定的控制程序，瞬间脉冲电压使点火线圈(7)产生高压电，正时点火的火花塞(8)，实现对喷射量以及喷射点火定时随运行工况的实时控制。通过控制电喷器，精确地控制喷射量，使内燃机在各种工况下都能获得最佳浓度的混合气。此外，还能实现起动燃料(18)加浓、暖机燃料(18)加浓、加速加浓、全负荷加浓、减速调稀、强制断燃料(18)断水(9)，自动怠速控制等功能，满足内燃机特殊工况对混合气的要求，使内燃机获得良好的燃料(18)经济性和排放性，也提高了汽车的使用性能。

电子控制水喷射系统的喷水(9)压力是由电水泵(11)提供的，电动水泵(11)装在水箱(10)内，浸在水(9)中。水箱(10)内的水(9)被电水泵(11)吸出并加压，压力水(9)经水滤清器(12)去杂质后，被送至内燃机上方的分配输水管(13)。分配输水管(13)与安装在各缸进气歧管(26)上的水电喷器(14)相通。水电喷器(14)是一种电磁阀，由电脑ECU(1)控制。通电时电磁阀开启，压力水(9)以雾状喷入进气歧管(26)内，与空气、燃料(18)气雾混合，在进气行程中被吸进气缸。水电喷器(14)末端与回水管(15)相连通，回水管(15)另一端装有水压力调节器(16)，用来调整分配输水管(13)中水的压力，使水压力保持某一定值，多余的水(9)从水压力调节器(16)上的回水口返回水箱(10)。同时另一个电子控制燃料(18)喷射系统也在受ECU(1)控制下运作，它的运作过程与水喷射系统一样。燃料(18)压力是由电燃料泵(19)提供的，电燃料泵(19)装在燃料箱(17)内，浸在燃料(18)中。燃料箱(17)内的燃料(18)被电燃料泵(19)吸出并加压，压力燃料(18)经燃料滤清器(21)滤去杂质后，被送至内燃机上方的分配燃料管(20)。分配燃料管(20)与安装在各缸进气歧管(26)上的燃料电喷器(22)相通。燃料电喷器(22)是一种电磁阀，由电脑ECU(1)控制。通电时电磁阀开启，压力燃料(18)以雾状喷入进气歧管(26)内，与空气、水气雾混合，在进气行程中被吸进气缸。燃料电喷器(22)末端与回燃料管(23)相连通，回燃料管(23)的另一端装有燃料压力调节器(24)，用来调整分配燃料管(20)中燃料的压力，使燃料压力保持某一定值，多余的燃料(18)从燃料压力调节器(24)上的回燃料口返回燃料箱(17)。

进气量由驾驶员通过加减速踏板操纵节气门(25)来控制。节气门(25)开度不同，进气量也不同，进气歧管(26)内的真空度也不同。在同一转速下，进气歧管(26)真空度与进气量成一定的比例关系。进气管空气压力传感器(27)可将进气歧管(28)内真空度的变化转变成电信号的变化，并传送给电脑ECU(1)，电脑ECU(1)根据进气歧管(28)真空度的大小计算出内燃机进气量，再根据安装在内燃机离合器壳体上的转速传感器(5)测得信号计算出内燃机转速。根据进气量和转速计算出相应的基本喷射量。电脑根据进气压力和内燃机转速控制各缸水电喷器(14)和燃料电喷器(22)，通过控制每次喷射的持续时间来控制喷射量。喷水(9)和喷燃料(18)持续时间愈长，喷水(9)和喷燃料(18)量就愈大。一般每次喷水(9)和喷燃料(18)的持续时间为2～10ms。各缸水电喷器(14)和燃料电喷器(22)每次喷射的开始时刻则由电脑ECU(1)根据安装于离合器壳体上的内燃机转速传感器(5)测得某一位置信号来控制。喷射系统的每个电喷器在内燃机每个工作循环中喷水(9)和喷燃料(18)两次，喷水(9)和喷燃料(18)是间断进行的，属于间歇喷射方式。

电子燃料喷射和水喷射控制的原理

(一)各种工况控制简介

内燃机在不同工况下运转，对混合气浓度的要求也不同。特别是在一些特殊工况下(如起动、急加速、急减速等)，对混合气浓度有特殊的要求。电脑ECU(1)要根据有关传感器测得的运转工况，按不同的方式控制喷水(9)和燃料(18)量。喷水(9)和燃料(18)量的控制方式可分为起动控制、运转控制、断燃料(18)断水(9)控制和反馈控制。

起动时，内燃机由起动马达带动运转。由于转速很低，转速的波动也很大，电脑据内燃机水温、进气温度、起动转速，判定内燃机处于起动状态。内燃机处于冷机状态水电喷器(14)一般不设定工作，这样不会形成冷凝水，保证内燃机在低温下也能正常起动。

(二)开关机控制

内燃机起动，燃料电喷系统工作，通常情况下暖机结束水电喷系统才开始运行喷射。在电脑ECU(1)控制水电喷器(14)的触发电路上开断用导线串接一个手动开关(28)，手动开关(28)设在电脑ECU(1)的外部，当缸盖温度传感器(4)检测内燃机处在暖机过程中，手动开关(28)可以强制接通水电喷器(14)和任意强制关闭水电喷器(14)的喷射。当关闭内燃机时，水电喷器(14)立即停止工作，而燃料水电喷器(22)电源由ECU(1)控制自动延迟关机，这样可以吸干残留在进气歧管(26)内的部分冷凝水，为下一次更容易快速起动做好准备。

(三)起动喷射控制

起动时，电喷内燃机由起动马达带动运转。由于转速很低，转速的波动也很大，因此这时空气流量传感器所测得的进气量信号有很大的误差。基于这个原因，在电喷内燃机起动时，电脑ECU(1)不以空气流量传感器的信号作为喷射量的计算依据，而是按预先给定的起动程序来进行喷射控制。电脑ECU(1)根据起动开关及转速传感器(5)的信号，判定电喷内燃机是否处于起动状态，以决定是否按起动程序控制喷射。当起动开关接通，且电喷内燃机转速低于300转/分时，电脑判定电喷内燃机处于起动状态，从而按起动程序控制喷射。在起动喷射控制程序中，电脑ECU(1)按电喷内燃机水温、进气温度、起动转速计算出一个固定的喷射量。这一喷射量能使电喷内燃机获得顺利起动所需的浓混合气。冷车起动时，电喷内燃机温度很低，喷入进气道的燃料不易蒸发。为了能产生足够的燃料蒸气，形成足够浓度的可燃混合气，保证电喷内燃机在低温下也能正常起动，必须进一步增大喷射量。由电脑ECU(1)控制，通过增加各缸喷射器的喷射持续时间或喷射次数来增加喷射量。所增加的喷射量及加浓持续时间完全由电脑ECU(1)根据进气温度传感器(2)和电喷内燃机缸盖温度传感器(4)测得的温度高低来决定。电喷内燃机水温或进气温度愈低，喷射量就愈大，加浓的持续时间也就取长。这种冷起动控制方式不设冷起动喷射器和冷起动温度开关。

(四)运转喷射控制

在内燃机运转中，电脑主要根据进气量和内燃机转速来计算喷射量。此外，电脑还要参考节气门(25)开度、内燃机水温、进气温度、海拔高度及怠速工况、加速工况、全负荷工况等运转参数来修正喷射量，以提高控制精度。由于电脑ECU(1)要考虑的运转参数很多，为了简化电脑的计算程序，通常将喷射量分成基本喷射量、修正量、增量三个部分，并分别计算出结果。然后再将三个部分叠加在一起，作为总喷射量来控制喷量。

基本喷射量：基本喷射量是根据内燃机每个工作循环的进气量，按理论混合比(空燃比14.7∶1)再以燃料(18)70％比清洁水(9)最多30％计算出的基本喷射量。

修正量：修正量是根据进气温度、大气压力等实际运转情况，对基本喷射量进行适当修正，使内燃机在不同运转条件下都能获得最佳浓度的混合气。修正量的内容为：

1.进气温度修正

2.大气压力修正

蓄电池电压修正(电压变化时，自动对喷射脉冲宽度加以修正)。在冷车起动结束后的暖机运转过程中，和在一些特殊工况下(如暖机、加速等)，喷水系统控制的喷水(9)不增量，目的是为了使内燃机获得良好的使用性(如动力性、加速性、平顺性等)。暖机增量比的大小取决于水温传感器所测得的内燃机温度，并随着内燃机温度的升高而逐渐减小，直至温度升高至80度时，暖机加浓结束。

加速增量：在加速工况时，电脑能自动按一定的增量比适当增加喷射量，使内燃机能发出最大扭矩，改善加速性能。电脑是根据节气门开度传感器(3)测得的节气门(25)开启的速率鉴别出内燃机是否处于加速工况的。

大负荷增量：部分负荷工况是汽车电喷内燃机的主要运行工况。在这种工况下的喷射量应能保证供给电喷内燃机的混合气具有最经济的成分，通常应稀于理论混合比。在大负荷及满负荷工况下，要求电喷内燃机能发出最大功率，因而燃料(18)和水(9)喷射量应比部分负荷工况大，以提供稍浓于理论混合比的功率混合气。大负荷信号由节气门(25)开关内的全负荷开关提供，或由电脑ECU(1)根据节气门开度传感器(3)测得的节气门(25)开度来决定。当节气门(25)开度大于70度时，电脑ECU(1)按功率混合比计算喷射量。

(五)断燃料断水控制

断燃料(18)断水(9)控制是电脑ECU(1)在一些特殊工况下，暂时中断燃喷射，以满足内燃机运转中的特殊要求。它包括以下几种断燃料(18)断水(9)控制方式：

1.超速断燃料断水控制

超速断燃料(18)断水(9)是在内燃机转速超过允许的最高转速时，由电脑自动中断喷燃料(18)断水(9)，以防止内燃机超速运转，造成机件损坏，也有利于减小燃料(18)消耗量，减少有害排放物。超速断燃料(18)断水(9)控制过程是由电脑ECU(1)将转速传感器(5)测得的内燃机实际转速与控制程序中设定的内燃机最高极限转速(一般为6000～7000转/分)相比较。当实际转速超过此极限转速时，电脑就切断送给电喷器喷射脉冲，使电喷器停止喷射，从而限制内燃机转速进一步升高；当断燃料(18)断水(9)后内燃机转速下降至低于极限转速约100转/分时，断燃料(18)断水(9)控制结束，恢复喷射。

2.减速断燃料断水控制

汽车在高速行驶中突然松开控速踏板减速时，内燃机仍在汽车惯性的带动下高速旋转。由于节气门(25)已关闭，进入气缸的混合气数量很少，在高速运转下燃烧不完全，使废气中的有害排放物增多。减速断燃料(18)断水(9)控制就是当内燃机在高转速运转中突然减速时，由电脑ECU(1)自动中断燃料(18)断水(9)喷射，直至内燃机转速下降到设定的低转速时再恢复喷射。其目的是为了控制急减速时有害物的排放，减少燃料(18)消耗量，促使内燃机转速尽快下降，有利于汽车减速。减速断燃料(18)断水(9)过程是由电脑(1)根据节气门(25)、位置电喷内燃机转速传感器(5)、水温传感器等运转参数，作出综合判断，在满足一定条件时，执行减速断燃料(18)断水(9)控制。这些条件是：

节气门开度传感器(3)中的怠速开关接通

电喷内燃机水温已达正常温度

电喷内燃机转速高于某一数值

该转速称为减速断燃料(18)断水(9)转速，其数值由电脑根据电喷内燃机水温、负荷等参数确定。通常水温愈低，电喷内燃机负荷愈大(如使用空调时)，该转速愈高。当上述三个条件都满足时，电脑ECU(1)就执行减速断燃料(18)断水(9)控制，切断喷射脉冲。上述条件只要有一个不满足，如电喷内燃机转速已下降至低于减速断燃料(18)断水(9)转速，电脑ECU(1)就立即停止执行减速断燃料(18)断水(9)，恢复喷射。

3.减扭矩断燃料断水控制

装有电子控制自动变速器的汽车在行驶中自动升档时，控制变速器的电脑会向喷射系统的电脑ECU(1)发出减扭矩信号。喷射系统的电脑(1)在收到这一减扭矩信号时，会暂时中断个别气缸的喷水(9)喷燃料(18)，以降低内燃机转速，从而减轻换档冲击。

(六)电子喷射控制的原理

反馈控制

氧传感器(6)安装在排气管位置上，信号线直引至ECU(1)控制系统上。喷射系统进行反馈控制的传感器是氧传感器(6)。反馈控制(闭环控制)是在排气管上加装氧传感器(6)根据排气中氧含量的变化，测定出进入内燃机燃烧室混合气的空燃比值，把它输入计算机与设定的目标空燃比值进行比较，将误差信号经放大器控制电磁电喷器喷射量，使空燃比保持在设定目标值附近。

参照附图2，由传感器采集模拟，输入回路，进入A\D转换器，数字编码后，送入CPU处理器与储存器数据进行对比，又回到编码器输出编码信号最后送到执行器，指令输出有水电喷器(14)、燃料电喷器(22)、点火线圈(7)，火花塞(8)、电燃料泵(19)、电水泵(11)。

参照附图3，由直流电源DC输入至ECU，信号采集有进气温度传感器(2)、转速传感器(5)、缸盖温度传感器(4)、氧传感器(6)、节气门开度传感器(3)，空气压力传感器(27)，执行控制输出有电燃料泵(19)、电水泵(11)、燃料电喷器(22)、水电喷器(14)、点火线圈(7)、火花塞(8)。

参照附图4，电喷内燃机的在进气歧管(26)的每个气缸进气门口前上方，设有一个燃料电喷器(22)和一个水电喷器(14)，内燃机起动，燃料电喷系统开始工作，燃料电喷器(22)与水电喷器(14)的最高喷射量比例是：燃料(20)70％/水(9)30％。

Claims (6)

1.根据权利要求1所述的一种电喷水助燃节能器，其特征是：1一种电喷水助燃节能器，由水箱、清洁水、可控电水泵、输水管、水滤清器、回水管、水电喷器和水调压器，构成输水喷射单元，可控电水泵设在水箱中浸在清洁水中，输水管连接水滤清器、水电喷器，回水管从水电喷器的回水口连接到水压力调节器后又回到水箱，由燃料箱、燃料、可控电燃料泵、燃料管、燃料滤清器、燃料电喷器、回燃料管、燃料调压器、构成输燃料喷射单元，可控电燃料泵设在燃料箱浸在燃料中，回燃料管燃料电唢器的回燃料口连接到燃料调压器后又回到燃料箱。

2.根据权利要求1所述的一种电喷水助燃节能器，其特征是：由进气温传感器，节气门位置传感器，缸盖温度传感器，转速传感器，氧传感器，空气压力传感器构成数据采集单元，各传感器采集信号通过用导线连接到电脑ECU上，执行器输出用导线连接到电水泵、水电喷器、电燃料泵、燃料电喷器、点火线圈、火花塞、温控开关，电脑ECU控制单元对采集信号、并处理根据各环境工况的实现同步精确喷射。

3.根据权利要求1所述的一种电喷水助燃节能器，其特征是：电喷水助燃节能器可以与各种内燃机配合使用，在已有电喷的内燃机可以加装水箱、清洁水、可控电水泵、输水管、水滤清器、回水管、水电喷器和水调压器，构成输水喷射单元及相关辅助设备即可，设有一个或多个水喷射器、燃料电喷器，在各气缸进气门口前上方设有水电喷射器和燃料电喷器，由电脑ECU控制喷射。

4.根据权利要求1所述的一种电喷水助燃节能器，其特征是：燃料喷射器与水喷射器工作时，喷射动作同步，其最高喷射量比例是，燃料70％比水30％。

5.根据权利要求1所述的一种电喷水助燃节能器，其特征是：在要关闭内燃机时，水电喷器立即停止工作，而燃料电喷器由电脑ECU控制自动延迟关机。

6.根据权利要求1所述的一种电喷水助燃节能器，其特征是：在电脑ECU控制水电喷器的触发电路上开断用导线串接一个手动开关，手动开关设在电脑ECU的外部。

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