CN108869125B - 一种柴油机进气和燃油系统 - Google Patents

Abstract

一种柴油机进气与燃油系统，包括温差发电装置、ECM控制模块、燃油系统、排气门、排气歧管、拉法尔喷管、磁致分离永磁环和进气歧管总成；所述燃油系统包括电动柴油喷油器、M型喷油嘴、碗型活塞头、活塞和曲柄连杆；所述进气歧管总成包括二级扩散式喷油嘴、进气歧管和可变进气系统；所述可变进气系统包括可变截面进气系统和可变长度进气系统，其中可变截面进气系统位于所述进气歧管内，可变长度进气系统位于所述进气歧管总成进气端口。本发明通过控制可变截面和可变长度转动控制器，在低转速下通过长细管进气，保证低速高扭矩，在高转速下通过短粗管进气，保证高速大功率，能提高发动机的动力性和经济性。本发明结构新颖、节能环保和实用性强。

Description

一种柴油机进气和燃油系统

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种柴油机进气和燃油系统。

背景技术

自工业革命以来，汽车发动机作为高效、耐久的动力源，广泛地应用于社会经济各个方面。在经济全球化的当代社会，车辆作为载客和运货的作用将显得日益重要。以石油为燃料的往复式发动机将继续被应用为未来最实用的车用发动机。考虑到能源有限和保护环境的要求，人们在要求提高发动机动力性、经济性和排放性能的同时，也不断提出对内燃机的改进和替代方案。发动机有进一步提高动力性、经济性和排放性能的潜力。

传统发动机进气管的进气通道长度是不变的，只能保证发动机在某一工况下具有良好的性能，无法在运行过程中进行调节，使内燃机在两种极端的工况下性能下降。长期以来人们发现进气管的长度变化影响内燃机的充气效率，从而影响发动机的动力性和经济性。

活性氛围压缩燃烧(RCCI)技术是继均质充量压缩着火燃烧(HCCI)、预混合压缩燃烧(PCCI)等低温燃烧(LTC)技术后，面向压缩点火发动机的新兴技术。PCCI这种低温预混燃烧是通过二级燃油喷嘴分别喷入不同品质燃油，从而降低PM和NOx生成的一种重要技术途径。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种柴油机进气和燃油系统，该系统结构灵巧、使用灵活、维护费用低、动力性和经济性满足需求，而且低碳排放和节能。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种柴油机进气和燃油系统，包括温差发电装置、ECM控制模块、燃油系统、排气门、排气歧管、拉法尔喷管、磁致分离永磁环和进气歧管总成；

所述燃油系统包括电动柴油喷油器、M型喷油嘴、碗型活塞头、活塞和曲柄连杆，其中所述M型喷油嘴位于所述碗型活塞头上部，二者之间有一定间隔，燃油通过M型喷油嘴直接喷至碗型活塞头中；所述M型喷油嘴与电动柴油喷油器直接相连，燃油通过电动柴油喷油器输送至M型喷油嘴处进行喷射；所述活塞位于所述碗型活塞头和所述曲柄连杆之间，其中，所述曲柄连杆与所述活塞直接相连，为传动机构；所述活塞与所述碗型活塞头直接相连，传动往复运动；

所述进气歧管总成的出气端口通过所述拉法尔喷管与进气门连接，在连接处设有磁致分离永磁环；气体经由拉法尔喷管进入进气门，进而到达气缸内；

所述排气门之后为所述排气歧管，二者直接相连；所述温差发电装置置于所述排气歧管外表面，吸收尾部烟气热能并将其转化为电能，通过外电路为所述ECM控制模块供电；

所述进气歧管总成包括二级扩散式喷油嘴、进气歧管和可变进气系统；

所述二级扩散式喷油嘴是RCCI技术中用来喷入高品质燃油的装置，位于所述拉法尔喷管和所述进气歧管之间；

所述可变进气系统包括可变截面进气系统和可变长度进气系统，其中可变截面进气系统位于所述进气歧管内，可变长度进气系统位于所述进气歧管总成进气端口；

所述可变截面进气系统包括变截面流通器和可变截面转动控制器；所述变截面流通器为内外双圆筒结构置于进气歧管内，内圆筒为常开进气流道，外圆筒为可变截面进气道；所述可变截面转动控制器设置于所述变截面流通器的外圆筒端部控制外圆筒的截面变化；

所述可变长度进气系统包括可转动进气管、固定进气缓冲腔、油封层和可变长度转动控制器；所述固定进气缓冲腔套装在所述可转动进气管外；所述可变长度转动控制器设置于所述固定进气缓冲腔与所述可转动进气管间；所述固定进气缓冲腔与所述可变长度转动控制器接触处设有油封层；所述可变长度转动控制器可沿所述固定进气缓冲腔转动，使所述固定进气缓冲腔与所述可转动进气管实现转动联接形成通道，以此改变进气管的长度；所述可变截面转动控制器和可变长度转动控制器均由温差发电装置驱动的ECM控制模块驱动控制，使截面随着转速增大而增大或者随着转速减小而减小。

在可变截面进气系统中，采用内外流道进行截面控制，外侧流道壁面即为进气歧管壁面，内侧流道与外侧流道通过可拆卸卡槽进行固定。

在可变截面进气系统中，变截面流通器的内圆筒设置为常开进气流道，任何转速下均有气体通过，防止闭缸；外圆筒设置为可变截面进气流道，通过控制可变截面控制器旋转，带动封闭材料转动，减小可变截面大小，直至完全封闭；此过程通过由温差发电装置驱动的ECM控制模块驱动控制，使截面随着转速增大而增大，从而提高进气量。

在可变长度进气系统中，设置单独可转动进气管，通过旋转可变进气长度控制器控制进入进气歧管长度，通过固定进气缓冲腔进入进气歧管，在ECM控制模块驱动和控制下，根据不同转速，旋转调节可变长度转动控制器位置，使气体只能通过单侧进入进气歧管内，从而达到改变进气歧管长度的效果；为防止气体从另一侧扩散，在可变长度转动控制器顶点处外加油封层进行密封。随着转速的提高，该控制器逆时针转动使进气长度减小，从而提高进气量。

在可变进气系统中，采用可变长度和可变截面耦合变化调节进气来优化燃烧，提高发动机综合效率。通过温差发电装置提供电能的ECM控制模块对可变长度和可变截面转动控制器进行驱动控制，使进气满足在高转速条件下实现短粗管进气，在低转速条件下实现长细管进气，随着转速不断提高，两种控制器在ECM控制模块调配下配合作用，使进气效率增加，提高发动机线性度，提高缸内燃烧效率。在此过程中，气体首先通过进气歧管总成进气口进入可变长度进气系统，经过可变长度流道调节后进入可变截面进气系统，通过可变截面调节流量后进入拉法尔喷管。

在进入燃油系统前在进气歧管总成的出气端口处设置磁致分离永磁环，以此吸附空气中的氮气增大氧气的比重，实现富氧燃烧。

在进气歧管总成出气端口处用拉法尔喷管与气缸连接，能够实现进一步增大进气量。

在拉法尔喷管和进气歧管间设置二级扩散式喷油嘴，能够喷入高辛烷值、低沸点、易挥发的燃油，通过空气携带进入燃烧室，再混入M型喷油嘴喷出的低品质柴油，降低燃烧污染物排放。

M型喷油嘴喷入的柴油至碗型活塞头中，增大绕流，增大混合程度。

温差发电装置以排气歧管中的废气作为热源，发电供给ECM控制模块用来控制可变截面转动控制器和可变长度转动控制器。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本发明通过无级可变长度和可变截面相结合进气歧管总成，保证不同工况下进气歧管的固有频率可以与管内压力波的周期达到共振，从而增大进气量；通过ECM控制模块驱动控制可变截面和可变长度转动控制器，使在低转速下通过长细管进气，保证低速高扭矩，提高发动机的经济性；在高转速下通过短粗管进气，保证高速大功率，提高发动机的动力性。

通过与气缸连接处的拉法尔喷管可以使进入气缸的空气流速增大，在相同的开启时间内，进入气缸混合器流量增大，提高空燃比；进气歧管总成出口处的磁致分离永磁环增大了进入气缸空气中氧气比重，能够造成富氧燃烧，提高燃烧效率。

通过RCCI技术，外加高品质燃油扩散式喷嘴，由空气带入气缸中，降低燃烧产物中的PM和NOx。

通过M型喷油嘴和碗型活塞头组合作用，提高燃油和空气混合效果。

通过温差发电装置使排气歧管中废气再利用，供给ECM控制模块用电，节能减排。

本发明结构新颖，节能环保，实用性强，可同时提高发动机动力性和经济性。

附图说明

图1是本发明系统示意图；

图2是进气歧管总成图；

图3-1是变截面流通器径向图；

图3-2是变截面流通器轴向图；

图4-1是进气截面任意开度，进气管长度控制一定时流道图；

图4-2是进气截面全开，进气管长度控制一定时流道图；

图4-3是进气截面全闭，进气管长度控制一定时流道图；

图4-4是进气截面全闭，进气管长度变化后的流道图；

图5-1是M型喷嘴和碗型气缸部位图；

图5-2是碗型活塞头俯视图；

图6是温差发电原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

本发明的一种柴油机进气和燃油系统，如图1所示，包括温差发电装置5、 ECM控制模块9、燃油系统、排气门3、排气歧管4、拉法尔喷管11、磁致分离永磁环10和进气歧管总成12；

所述燃油系统包括电动柴油喷油器1、M型喷油嘴2、碗型活塞头6、活塞7 和曲柄连杆8，其中所述M型喷油嘴2位于所述碗型活塞头6上部，二者之间有一定间隔，燃油通过M型喷油嘴2直接喷至碗型活塞头6中；所述M型喷油嘴2 与电动柴油喷油器1直接相连，燃油通过电动柴油喷油器1输送至M型喷油嘴2 处进行喷射；所述活塞7位于所述碗型活塞头6和所述曲柄连杆8之间，其中，所述曲柄连杆8与所述活塞7直接相连，为传动机构；所述活塞7与所述碗型活塞头6直接相连，传动往复运动；

所述进气歧管总成12的出气端口通过所述拉法尔喷管11与进气门连接，在连接处设有磁致分离永磁环10，气体经由拉法尔喷管11进入进气门，进而到达气缸内；

所述排气门3之后为所述排气歧管4，二者直接相连；所述温差发电装置5 置于所述排气歧管4外表面，吸收尾部烟气热能并将其转化为电能，通过外电路为所述ECM控制模块9供电；

如图2所示，所述进气歧管总成12包括二级扩散式喷油嘴13、进气歧管14和可变进气系统；

所述二级扩散式喷油嘴13是RCCI技术中用来喷入高品质燃油的装置，位于所述拉法尔喷管10和所述进气歧管14之间；

所述可变进气系统包括可变截面进气系统和可变长度进气系统，其中可变截面进气系统位于所述进气歧管14内，可变长度进气系统位于所述进气歧管总成12进气端口；

所述可变截面进气系统包括变截面流通器16和可变截面转动控制器17；所述变截面流通器16为内外双圆筒结构置于进气歧管14内，内圆筒为常开进气流道，外圆筒为可变截面进气道；所述可变截面转动控制器17设置于所述变截面流通器的外圆筒端部控制外圆筒的截面变化；

所述可变长度进气系统包括可转动进气管18、固定进气缓冲腔19、油封层 20和可变长度转动控制器21；所述固定进气缓冲腔19套装在所述可转动进气管18外；所述可变长度转动控制器21设置于所述固定进气缓冲腔19与所述可转动进气管18间；所述固定进气缓冲腔19与所述可变长度转动控制器21接触处设有油封层20；所述可变长度转动控制器21可沿所述固定进气缓冲腔19转动，使所述固定进气缓冲腔19与所述可转动进气管18实现转动联接形成通道，以此改变进气管的长度；所述可变截面转动控制器17和可变长度转动控制器21 均由温差发电5驱动的ECM控制模块9驱动控制，使截面随着转速增大而增大或者转速减小而减小。

在进气系统中，通过无级可变截面和可变长度耦合变化，使进气管道与对应转速匹配，能够与进气歧管产生压力波谐振，增大进气量，提高缸内空燃比，提高整体动力性和经济性。

在燃油系统中，通过不同品质燃油扩散混合，降低燃烧后PM和NOx的浓度；通过M型喷油嘴和碗型活塞头共同作用，使燃油喷入绕流更加剧烈，与空气混合更均匀，进而提高燃烧效率。

如图3-1所示，变截面流通器径向图中，在低转速工况下，可变截面转动控制器17完全关闭，气体完全从内部流道15进入，降低进气量，提高经济性；随着转速的提高，可变截面转动控制器17逆时针旋转，转动角度由ECM控制模块根据不同转速调节，气体部分通过外侧流道16进入，增大进气量，提高动力性。

如图3-2所示，在变截面流通器轴向图中，截面通过可变截面转动控制器 17角度不同来控制截面开度不同，顺时针旋转用来减小转动截面，反之则增大转动截面；内侧流道面15为常开流道，保证低转速时依然有气体进入；外侧流道截面16为可变截面，通过可变截面转动控制器17控制。

如图4-1、4-2、4-3、4-4所示，可变进气系统由气缸侧流道14、可变进气截面流道16、内部常开流道15、可变长度进气管流道22、气体进入总腔23、密封装置20、可变长度转动控制器21和可变截面转动控制器17构成。

如图4-1所示，可变截面进气系统常规转速气体进入流道，截面开度由ECM 控制模块控制，不同转速调节可变截面转动控制器17旋转改变截面开度，实现无级变截面。

如图4-2所示，当高速转动时，可变截面旋转控制器17处于全开状态，气体通过可变进气截面流道16和内部常开流道12共同进入气缸侧流道14，增大气体流量，提高动力性。

如图4-3所示，当低速转动时，可变截面旋转控制器17处于全闭状态，气体通过内部常开流道15进入气缸侧流道，减小气体流量，提高经济性。

如图4-4所示，与图4-3对比，可变截面进气系统保持不变，当转速进一步降低时，可变长度转动控制器21在ECM控制模块的调节下，逆时针转动来增长可变长度进气歧管流道22的长度，提高发动机经济性。

图4-1、4-2、4-3、4-4分别体现了进气系统可变截面系统和可变长度系统的工作原理，具体在实际运行过程中，对于不同转速，ECM控制器控制可变长度转动控制器21和可变截面转动控制器17耦合工作，共同作用，保证在不同工况下，发动机动力性和经济性保持最佳。

如图5-1所示，在燃油系统中，M型喷油嘴2将低品质燃油喷到活塞24的碗型活塞头6碗中，增大混合强度，提高燃烧效率。

如图5-2所示，碗型活塞头6由四个凹槽组成，，保证燃油准确喷入活塞24 中的碗中。

如图6所示，温差发电装置使用排气废气作为热源25，空气或水作为冷源 26，进行发电为ECM控制模块提供电源。

工作原理：

本发明使用时，在进气系统中，使用到了无级可变截面系统和无级可变长度系统耦合改善进气状况，磁致分离技术提高入缸氧气含量，二级扩散式喷油嘴提高燃烧效率，其工作原理如下：

在进气系统改善过程中，运用了无级可变进气系统，由可变截面和可变长度两部分组成。其中，在可变截面进气系统中，由ECM控制模块根据转速工况不同调节可变截面转动控制器开度不同，从而调节进气量。为保证低转速工况依然有少量气体进入，防止闭缸，设置内部流道，在转动截面全闭时气体从内部流道进入，提高经济性，随着转速提高逐渐增大旋转控制器开度，增大进气量，提高动力性。在可变长度进气系统中，通过ECM控制模块根据不同转速控制可变长度转动控制器位置不同，改变发动机进气管部分实际长度，在低转速时逆时针转动，增大进气管长度，提高经济性；在高转速时顺时针转动，减小进气管长度，提高动力性。耦合过程由ECM控制模块经过算法控制不同流速时两种转动控制器处于最佳位置，为该工况提供最优解，大致保证低转速长细管进气，增大进气量，提高柴油机经济性；随着转速提高，长细管逐渐向短粗管转换，增大流道长度，提高柴油机动力性；并且在转动过程中与进气歧管产生谐振，增大气体正压力波效应。

磁致分离技术原理：在空气中，氧气和氮气的极性不同，通过磁致分离永磁环将氧气和氮气一部分区分开，让部分氮气附着在磁致分离永磁环上，增大氧气比重，进而进行富氧燃烧。

二级扩散式喷油嘴技术原理：RCCI技术低温预混燃烧技术是在进气歧管和气缸连接处通过二级扩散式喷油嘴喷入高品质轻质燃油，和空气扩散预混进入气缸，与柴油再次混合压燃，从而降低PM和NOx生成。

新型喷油嘴和活塞头原理：M型喷油嘴与碗型活塞头共同作用增大入射角度，提高绕流效果，增加混合强度。

温差发电技术原理：利用排气歧管废气中的余热作为热源，与空气和冷凝水等冷源，为ECM控制器提供所需电量，节能环保。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求确定的保护范围内。

Claims (1)

1.一种柴油机进气和燃油系统，其特征在于：所述系统包括温差发电装置、ECM控制模块、燃油系统、排气门、排气歧管、拉法尔喷管、磁致分离永磁环和进气歧管总成；

所述燃油系统包括电动柴油喷油器、M型喷油嘴、碗型活塞头、活塞和曲柄连杆，其中所述M型喷油嘴位于所述碗型活塞头上部，二者之间有一定间隔，燃油通过M型喷油嘴直接喷至碗型活塞头中；所述M型喷油嘴与电动柴油喷油器直接相连，燃油通过电动柴油喷油器输送至M型喷油嘴处进行喷射；所述活塞位于所述碗型活塞头和所述曲柄连杆之间，其中，所述曲柄连杆与所述活塞直接相连，为传动机构；所述活塞与所述碗型活塞头直接相连，传动往复运动；

所述进气歧管总成的出气端口通过所述拉法尔喷管与进气门连接，在连接处设有磁致分离永磁环；气体经由拉法尔喷管进入进气门，进而到达气缸内；

所述排气门之后为所述排气歧管，二者直接相连；所述温差发电装置置于所述排气歧管外表面，吸收尾部烟气热能并将其转化为电能，通过外电路为所述ECM控制模块供电；

所述进气歧管总成包括二级扩散式喷油嘴、进气歧管和可变进气系统；

所述二级扩散式喷油嘴是RCCI技术中用来喷入高品质燃油的装置，位于所述拉法尔喷管和所述进气歧管之间；

所述可变进气系统包括可变截面进气系统和可变长度进气系统，其中可变截面进气系统位于所述进气歧管内，可变长度进气系统位于所述进气歧管总成进气端口；

所述可变截面进气系统包括变截面流通器和可变截面转动控制器；所述变截面流通器为内外双圆筒结构置于进气歧管内，内圆筒为常开进气流道，外圆筒为可变截面进气道；所述可变截面转动控制器设置于所述变截面流通器的外圆筒端部控制外圆筒的截面变化；

所述可变长度进气系统包括可转动进气管、固定进气缓冲腔、油封层和可变长度转动控制器；所述固定进气缓冲腔套装在所述可转动进气管外；所述可变长度转动控制器设置于所述固定进气缓冲腔与所述可转动进气管间；所述固定进气缓冲腔与所述可变长度转动控制器接触处设有油封层；所述可变长度转动控制器可沿所述固定进气缓冲腔转动，使所述固定进气缓冲腔与所述可转动进气管实现转动联接形成通道，以此改变进气管的长度；所述可变截面转动控制器和可变长度转动控制器均由温差发电装置驱动的ECM控制模块驱动控制，使截面随着转速增大而增大或者随着转速减小而减小。

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