CN108547711A - 一种便携式内燃机喷水装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种便携式内燃机喷水装置，包括依次连接的水箱、水滤和低压水泵，所述低压水泵连接低压水轨，所述低压水轨连接水喷嘴，所述水喷嘴安装在发动机进气道上，所述水喷嘴连接控制其喷射时刻和喷射脉宽的控制单元，该喷水装置将水喷入内燃机进气道内，进入气缸内作为工质参与缸内燃烧和做功。与现有技术相比，该装置具有显著改善内燃机燃烧和排放特性的功能，结构紧凑便于携带，控制精度高，适用于内燃机改装工程及试验开发。

Description

一种便携式内燃机喷水装置
技术领域
本发明属于内燃机技术领域，尤其是涉及一种便携式内燃机喷水装置。
背景技术
机动车的能源消耗问题受到广泛关注，汽车尾气的排放标准也愈发严格。根据中国环境保护部门公布的各污染源所占比重，车辆尾气排放占22％、工业排放占16％、自然灰尘物占16％、煤燃烧占17％，其余占29％。以2012年为例，全国机动车排放污染物4612.1万吨，比2011年增加0.1％，其中氮氧化物(NOX)640.0万吨，碳氢化合物(HC)438.2万吨，一氧化碳(CO)3471.7万吨，颗粒物(PM)62.2万吨。为了进一步提高机动车工作效率，降低能源消耗，减少机动车尾气排放水平。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，缸外喷水技术应运而生，内燃机缸外水喷射技术通过将冷水(常温水)喷入发动机进气系统中，一方面使得进气温度得到冷却，抑制爆震的发生，降低压缩负功，提高充量系数并且水吸热后膨胀做功拓宽了燃烧循环的示功图面积，进而提升发动机的动力输出特性；另一方面，水的加入可以有效抑制缸内燃烧过程中压力升高率的上升及缸内平均燃烧温度，从而有效抑制NOX的生成。
目前由于市面上绝大多数内燃机均未采用缸外喷水技术，缸内喷水由于需要改动发动机缸体结构而较难实施，对这些内燃机进行相关的节能减排方面的改进，加装喷水装置不失为一种成本低廉而效果明显的措施。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述适应缸外喷水的内燃机改装问题而提供一种便携式内燃机喷水装置。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种便携式内燃机喷水装置，包括依次连接的水箱、水滤和低压水泵，所述低压水泵连接低压水轨，所述低压水轨连接水喷嘴，所述水喷嘴安装在发动机进气道上，所述水喷嘴连接控制其喷射时刻和喷射脉宽的控制单元，该喷水装置将水喷入内燃机进气道内，进入气缸内作为工质参与缸内燃烧和做功。
进一步地，所述低压水泵连接压力调节器并将水增压至3-10bar，所述压力调节器的出口端连接水箱的回水口端。
进一步地，所述水箱、水滤、低压水泵、压力调节器、低压水轨以及水喷嘴之间通过耐压水管连接。
进一步地，所述控制单元为控制器，由车载电源或家用电源供电，所述控制单元直接接收或者从ECU接收曲轴位置信号、凸轮轴位置信号等发动机正时信号，经过控制单元内部程序处理后控制水喷嘴的喷水动作。
进一步地，所述水喷嘴喷孔总面积按以下公式计算：
其中，fc为喷孔总面积，Q为每循环喷射的水量，n为发动机转速，Wn为喷孔中燃油(水)的平均流速，hi为喷油持续角度。
进一步地，所述水喷嘴的喷射脉宽由电源及控制单元控制，不同喷射脉宽对应的喷水量通过预先标定或通过喷嘴参数获得。
进一步地，所述水喷嘴的喷雾贯穿距及喷雾锥角与发动机进气道的内径相配合，使喷雾的空间分布形态不与进气道壁面相交。水喷嘴的安装位置可位于进气系统中的任何较合适的位置，主要满足喷雾贯穿距、喷雾锥角等关键参数与当地进气流道的内径与形状相配合即可，总体上需要调整喷射角度和喷射位置确保喷雾的空间分布形态不与进气道壁面相交，从而造成“湿壁”现象发生，同时要尽量让水喷雾较大的充填进气道截面，以保证喷射出的水雾能充分随进气气流进入发动机气缸中。
该装置通过水喷嘴连接内燃机的进气系统，将水喷入内燃机进气道内，随气体进入气缸作为工质参与缸内燃烧和做功。水箱内的蒸馏水通过水滤由低压水泵提升至3-10bar左右的压力，该压力由与低压水轨并联的压力调节器控制，压力调节器出口端连接水箱回水口端，低压水轨上接各缸进气道水喷嘴以保证各缸喷射压力一致，进气道水喷嘴安装在发动机进气道上(进气总管或进气歧管等处)，进气道水喷嘴的喷射时刻和喷射脉宽由控制单元精确控制来保证喷水量的精确性。
与现有技术相比，本发明装置具有改善内燃机燃烧和排放特性的功能，结构紧凑便于携带，控制精度高，适用于内燃机改装工程及试验开发。对于目前市面上大多数内燃机均未采用缸外喷水技术来说，不需要改动发动机缸体结构，只需加装本装置即可实现对内燃机喷水。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为本发明一种实施例的结构示意图；
图3-5分别为图2的主视图、左视图及俯视图；
图6为水喷嘴流量标定结果示例图；
图中：1-水箱；2-水滤；3-低压水泵；4-压力调节器；5-控制单元；6-低压水轨；7-水喷嘴。
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
参照图1-5，一种便携式内燃机喷水装置，包括依次连接的水箱1、水滤2和低压水泵3，低压水泵3连接低压水轨6，低压水轨6连接水喷嘴7，水喷嘴7安装在发动机进气道上，水喷嘴7连接控制其喷射时刻和喷射脉宽的控制单元5，该喷水装置将水喷入内燃机进气道内，进入气缸内作为工质参与缸内燃烧和做功。低压水泵3连接压力调节器4并将水增压至3-10bar，压力调节器4的出口端连接水箱1的回水口端。水箱1、水滤2、低压水泵3、压力调节器4、低压水轨6以及水喷嘴7之间通过耐压水管连接。控制单元5为控制器，由车载电源或家用电源供电，控制单元5接收曲轴位置信号、凸轮轴信号或发动机ECU的控制信号，进而控制水喷嘴7的喷水动作。水喷嘴7安装在发动机进气道上(进气总管或进气歧管等处)，水喷嘴的喷射时刻和喷射脉宽由控制单元5精确控制来保证喷水量的精确性。
对内燃机机械结构的改造主要为水喷嘴安装位置的确定及喷水系统各部件的集成，对喷水系统的控制主要为对水喷嘴喷射时刻(与内燃机喷油点火正时的同步)和喷射脉宽的控制。便携式内燃机喷水装置的设计按以下步骤：
1、水箱的选型
水箱的选型依内燃机参数的不同而不同。主要考虑的参数有内燃机实际情况下的进气流量Qm(单位：g/s，取最大值)，过量空气系数λ，据此计算出单位时间耗油量m(单位：g/s)，再依据标定校正过的水油比(应用缸外水喷射技术的内燃机在不同工况下为了达到不同的性能和排放要求所需的水油质量比不同，即向进气道中喷入的水的质量不同，该值需要根据实际情况通过较为严格的标定得出)计算出所需水流量M(单位：g/s)。
下面对水流量计算方法举例说明：燃料为汽油的内燃机当前进气流量为Qm0，过量空气系数λ0，标定校正后的设定水油质量比为0.4：1，此时该喷水系统所需水流量为：M＝Qm0/(14.7×λ0)×0.4(单位：g/s)，对本专利涉及的喷水系统，为满足内燃机在所有工况中的进气流量最大条件下的正常喷水要求，进气流量取内燃机的进气流量最大值Qm代入计算，可得到所需水流量应不小于该计算值。最后根据内燃机常用的工作时间t(单位：h)计算出水箱的最小容积值V＝M×t×3.6(单位：L)，即水箱容积要大于V升。
2、喷水喷嘴的选型
参考柴油喷嘴相关计算如下：每循环喷入气缸的水量Q可以根据内燃机各转速负荷下发动机进气流量及空燃比较为精确的计算出来，然后可以据此按下式计算喷孔总面积fc/mm2：
式中，Q为每循环喷射的水量，mm3/cycle；n为发动机转速；Wn为喷孔中燃油(水)的平均流速，m/s；hi为喷油持续角度，°CA。在计算得到喷孔总面积后，可根据喷孔数量确定喷孔直径的要求范围，进而选择满足要求的相应喷嘴，亦可使用专用的内燃机缸外水喷嘴，如博世公司相关的内燃机用水喷嘴产品。
3、水喷嘴流量标定
该参数可以通过喷嘴固有的流量特性参数获得，但大多数情况下喷嘴流量依喷射压力的不同而不同，需要通过试验来进行标定。具体标定方法如利用喷嘴在某个喷射压力和喷射脉宽条件下向一个密闭容器中多次喷射，获得喷射前后容器的质量差，再根据喷射次数计算出平均值即为该压力该喷射脉宽对应的质量流量。图6给出了水喷嘴流量标定结果的示例，图中为某三个具体型号的水喷嘴在背景压力为1个大气压条件下不同的喷射压力对应的静态流量。
4、连接水管的选型
连接水管的选型主要依据各部分接头的内径及整个系统所需承受的最大水压来确定。
5、控制单元的搭建
本发明控制单元主要功能在于采集发动机正时信号，如曲轴位置信号、凸轮轴位置信号、喷油点火时刻等，经过程序处理后为喷水正时提供参考基准，确保喷水时刻与发动机本身的喷油点火时刻的参考基准一致。同时控制单元还需依据设定的喷射时刻和喷射脉宽控制喷水装置精确开闭，实现对喷水时刻和喷水量的精确控制。如可采用基于LabVIEW编程控制的compactRIO嵌入式测控系统来实现，具体实现方式因实际情况不同而不同，不再赘述。

Claims (7)

1.一种便携式内燃机喷水装置，其特征在于，包括依次连接的水箱(1)、水滤(2)和低压水泵(3)，所述低压水泵(3)连接低压水轨(6)，所述低压水轨(6)连接水喷嘴(7)，所述水喷嘴(7)安装在发动机进气道上，所述水喷嘴(7)连接控制其喷射时刻和喷射脉宽的控制单元(5)，该喷水装置将水喷入内燃机进气道内，进入气缸内作为工质参与缸内燃烧和做功。
2.根据权利要求1所述的一种便携式内燃机喷水装置，其特征在于，所述低压水泵(3)连接压力调节器(4)并将水增压至3-10bar，所述压力调节器(4)的出口端连接水箱(1)的回水口端。
3.根据权利要求2所述的一种便携式内燃机喷水装置，其特征在于，所述水箱(1)、水滤(2)、低压水泵(3)、压力调节器(4)、低压水轨(6)以及水喷嘴(7)之间通过耐压水管连接。
4.根据权利要求1所述的一种便携式内燃机喷水装置，其特征在于，所述控制单元(5)为控制器，由车载电源或家用电源供电，所述控制单元(5)直接接收或者从ECU接收曲轴位置信号或凸轮轴位置信号，经过控制单元内部程序处理后控制水喷嘴(7)的喷水动作。
5.根据权利要求1所述的一种便携式内燃机喷水装置，其特征在于，所述水喷嘴(7)喷孔总面积按以下公式计算：
其中，fc为喷孔总面积，Q为每循环喷射的水量，n为发动机转速，Wn为喷孔中燃油(水)的平均流速，hi为喷油持续角度。
6.根据权利要求1所述的一种便携式内燃机喷水装置，其特征在于，所述水喷嘴(7)的喷射脉宽由电源及控制单元(5)控制，不同喷射脉宽对应的喷水量通过预先标定或通过喷嘴参数获得。
7.根据权利要求1所述的一种便携式内燃机喷水装置，其特征在于，所述水喷嘴(7)的喷雾贯穿距及喷雾锥角与发动机进气道的内径相配合，使喷雾的空间分布形态不与进气道壁面相交。
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