CN108049994A - 一种废热回收高温油水混合喷射的内燃机燃料供给系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种废热回收高温油水混合喷射的内燃机燃料供给系统，包括电子控制元件(4)，所述的供水管路上设有流量计a(10)、水泵(11)和节流阀(13)，所述的供油管路上设有流量计b(14)和油泵(15)，所述的流量计a(10)、流量计b(14)和节流阀(13)均连接电子控制元件(4)，工作时，燃油通过流量计b(14)，水通过流量计a(10)与节流阀(13)，分别从油箱(16)与水箱(12)通过进入油水混合装置(9)，电子控制元件(4)根据流量计a(10)、流量计b(14)测量的参数控制节流阀(13)的开闭程度，从而精确控制油水混合比。与现有技术相比，本发明具有能源利用率高、效率高等优点。
Description
技术领域
本发明属于内燃机技术领域，尤其是涉及一种废热回收高温油水混合喷射的内燃机燃料供给系统。
背景技术
随着世界经济的飞速发展，全球汽车保有量大量增加。作为能源消耗大国的中国，面对日益严峻的能源挑战，这也对能源消耗大户的汽车行业提出了更高的燃油经济性要求，缸内喷水技术逐渐得到国内外研究机构与整车厂的重视。缸内喷射油水混合物也可以被认为是一种特殊的内燃机喷水技术，其优点在于其燃烧性能好，污染少且燃料经济性好。在提高热效率的同时还能很好的降低排放。
要实现缸内喷射高温的油水混合物，必须要提供能够油水混合比例实时可控，并且在内燃机关闭时能够将管道中的油水混合工质回收，防止管路生锈以及在寒冷季节管路内水结冰破环管路的供油系统。
与此同时，由于内燃机排出的尾气的热量大约占总热量的三分之一，目前缸内喷入冷油水混合物可以降低缸内压缩终了温度，避免爆震及早燃非正常燃烧现象，但依然浪费了很多内燃机尾气排出的热量，其限制了内燃机热效率的提高。故将内燃机尾气中多余的热量用来加热油水混合物的方案也油然而生。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种废热回收高温油水混合喷射的内燃机燃料供给系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种废热回收高温油水混合喷射的内燃机燃料供给系统，包括油水混合装置，该油水混合装置通过供油管路连接油箱，通过供水管路连接水箱，其特征在于，所述系统还包括电子控制元件，所述的供水管路上设有流量计a、水泵和节流阀，所述的供油管路上设有流量计b和油泵，所述的流量计a、流量计b和节流阀均连接电子控制元件，工作时，燃油通过流量计b，水通过流量计a与节流阀，分别从油箱与水箱通过进入油水混合装置，电子控制元件根据流量计a、流量计b测量的参数控制节流阀的开闭程度，从而精确控制油水混合比。
所述的油水混合装置通过燃料供给管路依次连接三通电磁阀b、高压泵、换热器、三通电磁阀a和高压共轨，其中三通电磁阀b通过一支管路返回连接至油水混合装置，并在该支管路上设有低压泵，所述的三通电磁阀a还连接油箱，所述的高压共轨上设有热电偶和温度传感器，所述的热电偶、温度传感器、三通电磁阀a和三通电磁阀b均连接电子控制元件；
油水混合装置中的油水混合工质通过高压泵进入换热器，在换热器中，油水混合工质与内燃机尾气进行换热，然后进入高压共轨，最后经油水混合喷嘴直接喷入内燃机气缸内进行燃烧，内燃机排出的废气经过排气管到达换热器，利用废气中的废热来加热油水混合工质，在仅需要燃油供给的情况下，油箱中的燃油直接通过三通电磁阀a进入高压共轨；在内燃机关闭后，低压泵将管路内的工质通过三通电磁阀b抽回油水混合装置内。
所述的油水混合装置包括：电机、搅拌器、预混室、混合燃料室，工作时，燃油与水按比例进入预混室，经由电机驱动搅拌器充分混合均匀后进入混合燃料室，电机转速根据油水混合比由电子控制元件进行调节，能够保证在消耗尽可能少的能量情况下，使油水均与混合。
所述的搅拌器包括副搅拌器和主搅拌器，其中副搅拌器置于混合燃料室内，主搅拌器置于预混室内。
所述的换热器包括：管程、壳程、挡板、尾气入口、尾气出口、工质入口、工质出口，工作时，内燃机尾气通过尾气入口进入壳程，在挡板的作用下多次通过管程，与此同时油水混合物通过工质入口进入管程，两者通过管壁交换热量，最后分别通过尾气出口与工质出口离开换热器。
所述的换热器排气的换热和出口温度按下式计算：
Q＝K·A·ΔTm
式中K为整体传热系数，A为传热面积，ΔTm为平均对数温度，下标‘w’和‘g’分别指示工质和排气温度，为质量流量速率，C为比热。
假设一个合理的K值，通过上式估算换热面积A。换热管为普通高压油管，外径(do)为6mm，内径(di)3mm。利用传热面积确定换热器的设计参数，包括换热管数(N)，换热管长度(L)，换热管中心间距(Pt)，挡板间距(Lb)以及壳体直径(D)。
管内侧的换热系数hi能够通过Kern法的换热系数(jh)和雷诺数(Re)推算：
式中kw为管内液体导热系数，di为换热管内径，Cp为液体比热容，μ为液体黏度，下标‘w’和‘wall’分别指示工质和管温度。
假定管外壳侧的比热为常数，壳侧雷诺数Re和壳侧传热系数ho可通过下式计算：
式中u，ρ和Pr分别为流量，密度以及普朗特数，de为管间等效直径，正方形管排布的等效直径通过下式计算：
式中，Pt为换热管中心间距，do换热管外径。
总体传热系数K’通过管内(管侧)传热系数，管壁传热系数以及管外(壳侧)传热系数结合管的管壁传热阻力进行估算：
通过对整体计算过程进行简单的迭代计算，对比整体热效率的计算值K’和之前估算设定的K值相比，如果计算值大于估算设定值认为换热器设计合格，否则重新估算一个更小的K值重新迭代计算直至设计合格。
与现有技术相比，本发明能够根据内燃机的工况实时调整油水混合比，使内燃机能够达到最佳的工作状态。并且在内燃机熄火后，本发明能够通过泵将管路内残余的工质抽回，可以防止管路生锈，并且可以防止在寒冷季节管路内水结冰破环管路。与此同时，本发明能够充分利用内燃机尾气中多余的废热，将其用来加热油水混合物，然后将高温高压的油水混合物喷入缸内，油水混合物中的水闪急沸腾，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。
附图说明
图1为本发明缸内喷射过热油水混合物的内燃机废热回收装置结构示意图；
图2为本发明换热器示意图
图3为本发明油水混合装置示意图；
图1中：1-热电偶、2-温度传感器、3-三通电磁阀a、4-电子控制元件、5-换热器、6-低压泵、7-高压泵、8-三通电磁阀b、9-油水混合装置、10-流量计a、11-水泵、12-水箱、13-节流阀、14-流量计b、15-油泵、16-油箱、17-高压共轨。
图2中：
18-尾气入口、19-管程、20-壳程、21-挡板、22-工质出口、23-工质入口、24-尾气出口。
图3中：25-电机、26-混合燃料室、27-副搅拌器、28-工质回收入口、29-燃油入口、30-预混室、31-主搅拌器、32-水入口、33-油水混合物出口。
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
如图1所示，一种缸内喷射过热油水混合物的内燃机废热回收装置，包括高压共轨17、热电偶1、温度传感器2、三通电磁阀a3、三通电磁阀b8、电子控制元件4、换热器5、低压泵6、高压泵7、油水混合装置9、流量计a10、流量计b14、节流阀13、水泵11水箱12、油泵15、油箱16。
所述的油水混合装置9通过供油管路连接油箱16，油水混合装置9通过供水管路连接水箱12，所述的供水管路上设有流量计a10、水泵11和节流阀13，所述的供油管路上设有流量计b14和油泵15，所述的流量计a10、流量计b14和节流阀13均连接电子控制元件4，
所述的油水混合装置9通过燃料供给管路依次连接三通电磁阀b8、高压泵7、换热器5、三通电磁阀a3和高压共轨17，其中三通电磁阀b8通过一支管路返回连接至油水混合装置9，并在该支管路上设有低压泵6，所述的三通电磁阀a3还连接油箱16，所述的高压共轨17上设有热电偶1和温度传感器2，所述的热电偶1、温度传感器2、三通电磁阀a3和三通电磁阀b8均连接电子控制元件4；
工作时，燃油通过流量计b14，水通过流量计a10与节流阀13，分别从油箱16与水箱12通过进入油水混合装置9，电子控制元件4根据流量计a10、流量计b14测量的参数控制节流阀13的开闭程度，从而精确控制油水混合比。
油水混合装置9中的油水混合工质通过高压泵7进入换热器5，在换热器5中，油水混合工质与内燃机尾气进行换热，然后进入高压共轨17，最后经油水混合喷嘴直接喷入内燃机气缸内进行燃烧，内燃机排出的废气经过排气管到达换热器5，利用废气中的废热来加热油水混合工质，在仅需要燃油供给的情况下，油箱16中的燃油直接通过三通电磁阀a3进入高压共轨17；在内燃机关闭后，低压泵6将管路内的工质通过三通电磁阀b8抽回油水混合装置9内。
如图3所述，所述的油水混合装置9包括：电机25、搅拌器、预混室30、混合燃料室26，所述的搅拌器包括副搅拌器28和主搅拌器31，其中副搅拌器28置于混合燃料室26内，主搅拌器31置于预混室30内。预混室30位于混合燃料室26，且预混室30上设有工质回收入口28、燃油入口29、水入口32，其中工质回收入口28与低压泵6连接，以便在关机时回收管道内的工质。燃油入口29连接供油管路，水入口32连接供水管路。所述的混合燃料室26上设有油水混合物出口33，连接三通电磁阀b8，所述的电机25连接电子控制元件4。工作时，燃油与水按比例进入预混室30，经由电机25驱动搅拌器充分混合均匀后进入混合燃料室26，电机25转速根据油水混合比由电子控制元件4进行调节，能够保证在消耗尽可能少的能量情况下，使油水均与混合。
如图2所示，所述的换热器5包括：管程19、壳程20、挡板21、尾气入口18、尾气出口24、工质入口23、工质出口22，工作时，内燃机尾气通过尾气入口18进入壳程20，在挡板21的作用下多次通过管程19，与此同时油水混合物通过工质入口23进入管程19，两者通过管壁交换热量，最后分别通过尾气出口24与工质出口22离开换热器5。
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 (6)
1.一种废热回收高温油水混合喷射的内燃机燃料供给系统，包括油水混合装置(9)，该油水混合装置(9)通过供油管路连接油箱(16)，通过供水管路连接水箱(12)，其特征在于，所述系统还包括电子控制元件(4)，所述的供水管路上设有流量计a(10)、水泵(11)和节流阀(13)，所述的供油管路上设有流量计b(14)和油泵(15)，所述的流量计a(10)、流量计b(14)和节流阀(13)均连接电子控制元件(4)，工作时，燃油通过流量计b(14)，水通过流量计a(10)与节流阀(13)，分别从油箱(16)与水箱(12)通过进入油水混合装置(9)，电子控制元件(4)根据流量计a(10)、流量计b(14)测量的参数控制节流阀(13)的开闭程度，从而精确控制油水混合比。
2.根据权利要求1所述的一种废热回收高温油水混合喷射的内燃机燃料供给系统，其特征在于，所述的油水混合装置(9)通过燃料供给管路依次连接三通电磁阀b(8)、高压泵(7)、换热器(5)、三通电磁阀a(3)和高压共轨(17)，其中三通电磁阀b(8)通过一支管路返回连接至油水混合装置(9)，并在该支管路上设有低压泵(6)，所述的三通电磁阀a(3)还连接油箱(16)，所述的高压共轨(17)上设有热电偶(1)和温度传感器(2)，所述的热电偶(1)、温度传感器(2)、三通电磁阀a(3)和三通电磁阀b(8)均连接电子控制元件(4)；
油水混合装置(9)中的油水混合工质通过高压泵(7)进入换热器(5)，在换热器(5)中，油水混合工质与内燃机尾气进行换热，然后进入高压共轨(17)，最后经油水混合喷嘴直接喷入内燃机气缸内进行燃烧，内燃机排出的废气经过排气管到达换热器(5)，利用废气中的废热来加热油水混合工质，在仅需要燃油供给的情况下，油箱(16)中的燃油直接通过三通电磁阀a(3)进入高压共轨(17)；在内燃机关闭后，低压泵(6)将管路内的工质通过三通电磁阀b(8)抽回油水混合装置(9)内。
3.根据权利要求1所述的一种废热回收高温油水混合喷射的内燃机燃料供给系统，其特征在于，所述的油水混合装置(9)包括：电机(25)、搅拌器、预混室(30)、混合燃料室(26)，工作时，燃油与水按比例进入预混室(30)，经由电机(25)驱动搅拌器充分混合均匀后进入混合燃料室(26)，电机(25)转速根据油水混合比由电子控制元件(4)进行调节，使油水均与混合。
4.根据权利要求3所述的一种废热回收高温油水混合喷射的内燃机燃料供给系统，其特征在于，所述的搅拌器包括副搅拌器(28)和主搅拌器(31)，其中副搅拌器(28)置于混合燃料室(26)内，主搅拌器(31)置于预混室(30)内。
5.根据权利要求1所述的一种废热回收高温油水混合喷射的内燃机燃料供给系统，其特征在于，所述的换热器(5)包括：管程(19)、壳程(20)、挡板(21)、尾气入口(18)、尾气出口(24)、工质入口(23)、工质出口(22)，工作时，内燃机尾气通过尾气入口(18)进入壳程(20)，在挡板(21)的作用下多次通过管程(19)，与此同时油水混合物通过工质入口(23)进入管程(19)，两者通过管壁交换热量，最后分别通过尾气出口(24)与工质出口(22)离开换热器(5)。
6.根据权利要求5所述的一种废热回收高温油水混合喷射的内燃机燃料供给系统，其特征在于，所述的换热器(5)排气的换热和出口温度按下式计算：
Q＝K·A·ΔTm
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式中K为整体传热系数，A为传热面积，ΔTm为平均对数温度，下标‘w’和‘g’分别指示工质和排气温度，为质量流量速率，C为比热。
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