CN111287867B - 一种混合燃料发动机掺水喷射系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混合燃料发动机掺水喷射系统及其控制方法，该喷射系统包括：第一燃料泵，其设置在第一燃料油箱中；第一燃料喷射器，其固定安装在发动机气缸盖上，并且通过第一低压油轨与第一燃料燃油泵相连；第二燃料泵，其设置在第二燃料油箱中；第二燃料高压泵，其通过第二低压油轨与第二燃料泵相连；第二燃料喷射器，其固定安装在发动机气缸盖上，并且通过高压油轨与第二燃料高压泵连通；回油管路，其一端与高压油轨连通，另一端连接第二燃料油箱；水泵，其用于将水泵入高压储水腔；高压水泵，其与高压储水腔连通；水喷射器，其固定安装在发动机气缸盖上，并且与高压水泵连通；其中，第二燃料喷射器的轴线与水喷射器的轴线之间具有夹角。
Description
技术领域
本发明属于混合燃料发动机技术领域，特别涉及一种混合燃料发动机掺水喷射系统及其控制方法。
背景技术
近年来随着人民生活水平的不断提高，汽车保有量也高速增长。一方面，大量的化石燃料被汽车消耗，产生了有害气体，如NOx、可吸入颗粒物等，导致酸雨、温室效应等环境问题的不断加剧，同时也严重的危害人类的生命健康安全。另一方面大量化石燃料的燃烧，导致了世界范围内的能源危机。因此，世界上各个国家都在致力于研究低有害物排放、高效节油内燃机的开发，其中双燃料复合喷射发动机是解决有害气体排放，提高热效率的一种有效的技术手段。
目前对于双燃料复合喷射发动机，主要进行的是进气道喷射与缸内直接喷射，复合喷射燃料的种类有汽油+汽油复合喷射，汽油+醇复合喷射，天然气+醇复合喷射等等。但是由于复合喷射发动机引入了缸内直接喷射，燃油油束存在与空气混合不均匀的情况，同时由于缸内喷射燃料蒸发吸热，导致滞燃期变长，最高燃烧温度和最大爆发压力会比单纯进气道喷射发动机有所升高，使得双燃料复合喷射发动机的排放特性以及工作过程的平稳性要比进气道喷射的汽油机差。因此，为了提高复合喷射发动机的工作过程的平稳性，改善发动机的排放特性，选择了水作为惰性介质喷入缸内。
发动机掺水喷射，现阶段常见的掺水方式有两种，一种是采用熏蒸法，即采用进气加湿法，提高进入发动机内的空气水蒸气含量，采用此种方法的优点是不会直接向发动机内部掺水，不会有未雾化蒸发液滴附着于进气道或者缸壁上，不会对发动机造成损害，缺点是通过进气加湿进入发动机燃烧过程的水量较少，效果不明显。另一种方法是采用进气道喷射掺混有水的乳化油或者是醇水掺混液，采用此种方法的优点是能够进入发动机燃烧过程的水量可以保证，但是由于进气道喷射压力较低和温度都比较低，蒸发雾化条件不好，容易导致进气道内有水滴残留附着，流入燃烧室内会导致润滑油稀释，会导致拉缸卡死的情况发生。
发明内容
本发明设计开发了一种混合燃料发动机掺水喷射系统，其目的之一是采用缸内高压喷水装置，并且高压喷水装置与缸内高压燃油喷射器之间有一定的安装夹角能保证燃油束与水束之间彼此的干涉，能够保证水束雾化蒸发完全，从而解决因发动机掺水喷射导致的工作平稳性不好的问题。
本发明设计开发了一种混合燃料发动机掺水喷射系统，其目的之二是通过分隔环在水喷射器的底部形成水预热室，水预热室中的水能够吸收喷油器底部的热量，防止燃烧高温导致喷油器的烧结，并且提高水的雾化蒸发质量。
本发明设计开发了一种混合燃料发动机掺水喷射系统的控制方法，其目的是能够根据发动机的状态控制第一燃料喷射器、第二燃料喷射器和水喷射器的喷射状态，从而提高发动机热效率。
本发明提供的技术方案为：
一种混合燃料发动机掺水喷射系统，包括：
第一燃料油箱；
第一燃料泵，其设置在所述第一燃料油箱中；
第一燃料喷射器，其固定安装在发动机气缸盖上，并且通过第一低压油轨与所述第一燃料燃油泵相连；
第二燃料油箱；
第二燃料泵，其设置在所述第二燃料油箱中；
第二燃料高压泵，其通过第二低压油轨与所述第二燃料泵相连；
第二燃料喷射器，其固定安装在发动机气缸盖上，并且通过高压油轨与所述第二燃料高压泵连通；
回油管路，其一端与所述高压油轨连通，另一端连接所述第二燃料油箱；
储水箱；
水泵，其设置在所述储水箱中，用于将水泵入高压储水腔；
高压水泵，其与所述高压储水腔连通；
水喷射器，其固定安装在发动机气缸盖上，并且通过管路与所述高压水泵连通；
其中，所述第二燃料喷射器的轴线与所述水喷射器的轴线之间具有夹角。
优选的是，所述第二燃料喷射器的轴线与所述水喷射器的轴线之间的夹角为30°～60°。
优选的是，所述水喷射器包括：
针阀体，其内部同轴开设有中心通道；
进水道，其开设在所述针阀体的一端，所述进水道与所述中心通道连通，并且所述进水道的轴线与所述中心通道的轴线之间具有夹角；
多个喷水孔，其开设在所述针阀体的另一端，所述喷水孔与所述中心通道连通，并且所述喷水孔的轴线与所述中心通道的轴线之间具有夹角；
分隔环，其同轴固定设置在所述中心通道中，并且靠近所述喷水孔设置；所述分隔环将所述中心通道分隔为主腔室和预热室；
其中，所述分隔环靠近所述喷水孔的一端与所述针阀体的内壁固定连接；所述预热室的一端与所述主腔室连通，所述预热室为环形，并且围绕所述主腔室设置；
多个通孔，其分别开设在所述分隔环与所述针阀体内壁的连接处；
其中，所述通孔将所述主腔室与所述预热室的另一端连通；
轴针，其同轴可移动的插入所述主腔室内；
其中，当所述轴针的一端抵靠在所述喷水孔处时，所述喷水孔和所述通孔同时被所述轴针封堵住。
优选的是，所述通孔与所述中心通道的轴线垂直设置。
优选的是，所述多个通孔围绕所述中心通道的周向均匀布设。
优选的是，所述主腔室包括同轴依次连通的第一段、第二段和第三段；
其中，所述第一段为圆锥状空腔，其分别与所述通孔和所述喷水孔连通；
所述第二段为圆柱状空腔；以及
所述第三段为圆柱状空腔，并且所述第三段的直径小于所述第二段的直径；
其中，所述第三段与所述轴针间隙配合。
一种混合燃料发动机掺水喷射系统的控制方法，包括：
当发动机处于启动工况或发动机冷却水温低于80℃时，开启第一燃料喷射器，关闭第二燃料喷射器和水喷射器；
当发动机冷却水温高于80℃时，开启第一喷射器和第二喷射器喷射，并且根据发动机的运行状况选择性的开启水喷射器。
优选的是，当发动机冷却水温高于80℃，包括：
如果收到爆震传感器爆震信号，开启水喷射器；
如果发动机处于急加速工况，关闭水喷射器；
如果发动机负荷大于负荷阈值，开启水喷射器。
优选的是，所述的混合燃料发动机掺水喷射系统的控制方法，还包括：
当发动机冷却水温高于80℃时，且发动机处于节气门全开状态时，开启第一燃料喷射器和第二燃料喷射器，关闭水喷射器。
优选的是，
所述第一燃料的供给压力和喷射压力为0.3Mpa以下；
所述第二燃料和水的喷射压力为7～20Mpa。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提供的混合燃料发动机掺水喷射系统，采用缸内采用高压喷水的方式，并且高压喷水装置与缸内高压燃油喷射器之间有一定的安装夹角能保证燃油束与水束之间彼此的干涉，还能保证形成燃油浓度场在火花塞附近浓，缸壁附近稀薄，水雾浓度场在火花塞附近稀薄，缸壁附近浓的分布方式；同时由于水束采用高压喷射且能与燃油束之间发生干涉混合，加上高压喷射与缸内高温的环境，能够保证水束雾化蒸发完全，不会有发动机损坏的情况发生，并且喷射水的量也能够保证；能够解决双燃料复合喷射发动机排放特性和工作平稳性不佳的问题。
(2)本发明提供的混合燃料发动机掺水喷射系统，在水喷射器的底部设置有一个水预热室，一方面水预热室中的水能够吸收喷油器底部的热量，防止燃烧高温导致喷油器的烧结，另一方面，水预热室中的水能随着下次喷射，与进水道中的水混合一起喷入至气缸内，既提高了水的温度，提高水的雾化蒸发质量，防止蒸发雾化不良导致润滑恶化，也能降低水的粘度，使喷水器断水干脆，减少粘附在喷孔中水的量，降低被堵塞的几率。
(3)本发明提供的混合燃料发动机掺水喷射系统的控制方法，能够根据发动机的状态控制第一燃料喷射器、第二燃料喷射器和水喷射器的喷射状态，从而抑制发动机爆震，降低发动机分层稀燃燃烧NOx排放，提高发动机热效率，降低微粒排放。
附图说明
图1为本发明所述的混合燃料发动机掺水喷射系统的总体结构示意图。
图2为本发明所述的水喷射器的纵剖面示意图。
图3为本发明的图2中的A-A剖面示意图。
图4为本发明所述的主腔室的示意图。
图5为本发明所述的发动机电子控制单元的控制信号示意图。
图6为本发明所述的混合燃料发动机掺水喷射系统的控制方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1所示，本发明提供了一种混合燃料发动机掺水喷射系统，其主要包括：发动机机体100、第一燃料油箱110、第一燃料泵120、第一燃料喷射器130、第一低压油轨140、第二燃料油箱210、第二燃料泵220、第二燃料高压泵230、第二低压油轨240、第二燃料喷射器250、高压油轨260、回油管路270、储水箱310、水泵320、高压储水腔330、高压水泵340、水喷射器350以及回水管路360。
第一燃料泵120设置在第一燃料油箱110中；第一燃料喷射器130固定安装在发动机气缸盖上，并且通过第一低压油轨140与第一燃料燃油泵120相连。第二燃料泵220设置在第二燃料油箱210中；第二燃料高压泵230通过第二低压油轨240与第二燃料泵220相连；第二燃料喷射器250为高压喷射器，其固定安装在发动机气缸盖上，并且通过高压油轨260与第二燃料高压泵230连通；回油管路270一端与高压油轨260连通，另一端连接第二燃料油箱210，其中，回油管路270与高压油轨260的连接处位于第二燃料高压泵230与第二燃料喷射器250之间。水泵320设置在储水箱310中，用于将储水箱310中的水泵入高压储水腔330；高压水泵340与高压储水腔330连通；水喷射器350为高压喷射器，其固定安装在发动机气缸盖上，并且通过管路与高压水泵340连通。其中，第二燃料喷射器250的轴线与水喷射器350的轴线之间具有夹角，以保证燃油束与水束之间彼此的干涉，还能保证形成燃油浓度场在火花塞附近浓，缸壁附近稀薄，水雾浓度场在火花塞附近稀薄，缸壁附近浓的分布方式。
作为进一步的优选，第二燃料喷射器250的轴线与水喷射器350的轴线之间的夹角设置为30°～60°。由于水束采用高压喷射且能与燃油束之间发生干涉混合，加上高压喷射与缸内高温的环境，能够保证水束雾化蒸发完全，不会有发动机损坏的情况发生，并且喷射水的量也能够保证；能够解决双燃料复合喷射发动机排放特性和工作平稳性不佳的问题。
所述的混合燃料发动机掺水喷射系统还包括：火花塞410、爆震传感器420、氧传感器430、第二燃料压力传感器440、水压力传感器450以及发动机电子控制单元460。火花塞410、第一燃料喷射器130、第二燃料喷射器250、水喷射器350、爆震传感器420、氧传感器430、第二燃料压力传感器440、水压力传感器450分别与电子控制单元460电联。其中，第二燃料压力传感器440设置在高压油轨260上，并且位于第二燃料喷射器250和回油管路270与高压油轨260的连接处之间；水压力传感器450设置于高压水泵340与水喷射器350之间的管路上。回水管路360的一端连接在水压力传感器450与水喷射器350之间的管路上，另一端与储水箱310连通。
如图2-4所示，在另一个实施例中，水喷射器350包括：针阀体351，其内部同轴开设有中心通道352；进水道353，其开设在针阀体351的上端，进水道353与中心通道352连通，并且进水道353的轴线与中心通道352的轴线之间具有夹角；多个喷水孔354，其开设在针阀体351的下端，喷水孔354与中心通道352连通，并且喷水孔354的轴线与中心通道351的轴线之间具有夹角；分隔环355，其同轴固定设置在中心通道352中，并且靠近喷水孔354设置；所述分隔环355将中心通道352分隔为主腔室352a和预热室352b；其中，分隔环355靠近喷水孔354的一端(下端)与针阀体351的内壁固定连接；预热室352b的上端与主腔室352a连通，预热室352b为环形，并且围绕主腔室352a的下端设置；多个通孔356，其分别开设在分隔环355与针阀体351内壁的连接处；其中，通孔356将主腔室352a与预热室352b的下端连通；轴针357，其同轴可移动的插入主腔室352a内；其中，当轴针357的一端(下端)抵靠在喷水孔354处时，喷水孔354和通孔356同时被轴针357封堵住。
在另一个实施例中，通孔356与中心通道352的轴线垂直设置。多个通孔围356绕所述中心通道352的周向均匀布设。主腔室352a从下到上包括同轴依次连通的第一段352aa、第二段352ab和第三段352ac；其中，第一段352aa为圆锥状空腔，其分别与通孔356和喷水孔354连通；第二段352ab为圆柱状空腔；以及第三段352ac为圆柱状空腔，并且第三段352ac的直径小于第二段352ab的直径；其中，第三段352ac与轴针357的外壁间隙配合。
在另一个实施例中，通过在针阀体351的内壁下端开设环形槽(相当于预热室352b)，使针阀体内壁351的一部分形成分隔环355结构，之后，在隔环355与针阀体351内壁下端的连接处，开设多个通孔356，形成喷水器的下端结构。
当水喷射器350收到来自电子控制单元460的电信号后，轴针357上行，水经进水道353流入中心通道352(主腔室352a)中，水流到预热室352b上方后分流，一部分流入预热室352b中，经由多个通孔356流入主腔室352a的下端，与原本存在与主腔室352a中的水混合后从喷水孔354中喷出，当轴针357落座后，预热室352b的水不在流动，留在预热室352b中。一方面水预热室中的水能够吸收喷油器底部的热量，防止燃烧高温导致喷油器的烧结，另一方面，水预热室中的水能随着下次喷射，与进水道中的水混合一起喷入至气缸内，既提高了水的温度，提高水的雾化蒸发质量，防止蒸发雾化不良导致润滑恶化，也能降低水的粘度，使喷水器断水干脆，减少粘附在喷孔中水的量，降低被堵塞的几率。
如图5所示，发动机电子控制单元接收节气门位置信号、发动机转速信号、冷却水温信号、高压燃油轨压力信号、高压储水腔压力信号、氧传感器信号、爆震传感器信号等信息，并且根据上述接收信息发出点火线圈控制信号、低压燃油喷射器信号、低压燃油喷射器信号、高压喷水器信号等控制信号。在此基础上，本发明还提供了一种混合燃料发动机掺水喷射系统的控制方法，对混合燃料发动机掺水喷射系统进行控制，如图6所示，包括：
当发动机处于启动工况时，发动机电子控制单元控制第一燃料喷射器喷射，第二燃料喷射器和水喷射器不喷射；
当发动机冷却水温低于80℃时，发动机电子控制单元控制第一燃料喷射器喷射、第二燃料喷射器和水喷射器不喷射；
当发动机冷却水温高于80℃，并且发动机电子控制单元收到爆震传感器爆震信号时，发动机电子控制单元控制第一燃料喷射器、第二燃料喷射器以及水喷射器喷射。
当发动机冷却水温高于80℃时，并且发动机电子控制单元判定发动机处于急加速工况时，发动机电子控制单元控制第一燃料喷射器和第一燃料喷射器喷射，水喷射器不喷射。
当发动机冷却水温高于80℃时，并且发动机电子控制单元判定发动机处于中负荷和大负荷工况时，控制第一燃料喷射器、第二燃料喷射器喷射以及水喷射器喷射。
所述的混合燃料发动机掺水喷射系统的控制方法，还包括：
当发动机冷却水温高于80℃时，且发动机处于节气门全开状态时，控制第一燃料喷射器和第二燃料喷射器喷射，水喷射器不喷射。
其中，所述第一燃料的供给压力和喷射压力控制在0.3Mpa以下；所述第二燃料和水的喷射压力为7～20Mpa。
其中，所述的第一燃料可以是汽油，但是不仅限于汽油，也可以是醇类燃料。所述的第二燃料可以是汽油，但是不仅限于汽油，也可以是醇类燃料。所述的水喷射器喷射的可以是水，但不仅限于水，也可以是其它物质的水溶液。
本发明提供的混合燃料发动机掺水喷射系统的控制方法，能够根据发动机的状态控制第一燃料喷射器、第二燃料喷射器和水喷射器的喷射状态，从而抑制发动机爆震，降低发动机分层稀燃燃烧NOx排放，提高发动机热效率，降低微粒排放。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (9)
1.一种混合燃料发动机掺水喷射系统，其特征在于，包括：
第一燃料油箱；
第一燃料泵，其设置在所述第一燃料油箱中；
第一燃料喷射器，其固定安装在发动机气缸盖上，并且通过第一低压油轨与所述第一燃料泵相连；
第二燃料油箱；
第二燃料泵，其设置在所述第二燃料油箱中；
第二燃料高压泵，其通过第二低压油轨与所述第二燃料泵相连；
第二燃料喷射器，其固定安装在发动机气缸盖上，并且通过高压油轨与所述第二燃料高压泵连通；
回油管路，其一端与所述高压油轨连通，另一端连接所述第二燃料油箱；
储水箱；
水泵，其设置在所述储水箱中，用于将水泵入高压储水腔；
高压水泵，其与所述高压储水腔连通；
水喷射器，其固定安装在发动机气缸盖上，并且通过管路与所述高压水泵连通；
其中，所述第二燃料喷射器的轴线与所述水喷射器的轴线之间具有夹角；
爆震传感器，其与发动机电子控制单元电联；
所述水喷射器包括：
针阀体，其内部同轴开设有中心通道；
进水道，其开设在所述针阀体的一端，所述进水道与所述中心通道连通，并且所述进水道的轴线与所述中心通道的轴线之间具有夹角；
多个喷水孔，其开设在所述针阀体的另一端，所述喷水孔与所述中心通道连通，并且所述喷水孔的轴线与所述中心通道的轴线之间具有夹角；
分隔环，其同轴固定设置在所述中心通道中，并且靠近所述喷水孔设置；所述分隔环将所述中心通道分隔为主腔室和预热室；
其中，所述分隔环靠近所述喷水孔的一端与所述针阀体的内壁固定连接；所述预热室的一端与所述主腔室连通，所述预热室为环形，并且围绕所述主腔室设置；
多个通孔，其分别开设在所述分隔环与所述针阀体内壁的连接处；
其中，所述通孔将所述主腔室与所述预热室的另一端连通；
轴针，其同轴可移动的插入所述主腔室内；
其中，当所述轴针的一端抵靠在所述喷水孔处时，所述喷水孔和所述通孔同时被所述轴针封堵住。
2.根据权利要求1所述的混合燃料发动机掺水喷射系统，其特征在于，所述第二燃料喷射器的轴线与所述水喷射器的轴线之间的夹角为30°～60°。
3.根据权利要求2所述的混合燃料发动机掺水喷射系统，其特征在于，所述通孔与所述中心通道的轴线垂直设置。
4.根据权利要求2或3所述的混合燃料发动机掺水喷射系统，其特征在于，所述多个通孔围绕所述中心通道的周向均匀布设。
5.根据权利要求4所述的混合燃料发动机掺水喷射系统，其特征在于，所述主腔室包括同轴依次连通的第一段、第二段和第三段；
其中，所述第一段为圆锥状空腔，其分别与所述通孔和所述喷水孔连通；
所述第二段为圆柱状空腔；以及
所述第三段为圆柱状空腔，并且所述第三段的直径小于所述第二段的直径；
其中，所述第三段与所述轴针间隙配合。
6.一种混合燃料发动机掺水喷射系统的控制方法，用于控制如权利要求1所述的混合燃料发动机掺水喷射系统，其特征在于，包括：
当发动机处于启动工况或发动机冷却水温低于80℃时，开启第一燃料喷射器，关闭第二燃料喷射器和水喷射器；
当发动机冷却水温高于80℃时，开启第一喷射器和第二喷射器喷射，并且根据发动机的运行状况选择性的开启水喷射器。
7.根据权利要求6所述的混合燃料发动机掺水喷射系统的控制方法，其特征在于，当发动机冷却水温高于80℃，包括：
如果收到爆震传感器爆震信号，开启水喷射器；
如果发动机处于急加速工况，关闭水喷射器；
如果发动机负荷大于负荷阈值，开启水喷射器。
8.根据权利要求7所述的混合燃料发动机掺水喷射系统的控制方法，其特征在于，还包括：
当发动机冷却水温高于80℃时，且发动机处于节气门全开状态时，开启第一燃料喷射器和第二燃料喷射器，关闭水喷射器。
9.根据权利要求6-8任意一项所述的混合燃料发动机掺水喷射系统的控制方法，其特征在于，
所述第一燃料的供给压力和喷射压力为0.3Mpa以下；
所述第二燃料和水的喷射压力为7～20Mpa。
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