CN111472874A - 一种电控活塞喷油冷却系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种电控活塞喷油冷却系统及其工作方法，通过活塞底部喷油嘴双喷油工作方式，实现活塞内冷油腔和活塞底部分别冷却效果。所述喷油嘴采用内喷嘴和喷油嘴外套管双喷油方式，喷油嘴外套管末段侧面上沿圆周方向分布多个斜向上的外喷孔，多个外喷孔形成外环形喷嘴。在机油滤清器和机油冷却器之间设置一个与喷油嘴进口相连的加热油道，并在加热油道里安装机油加热器，在靠近机油加热器进口附近的管路上安装热电磁阀开关，在机油加热器和喷油嘴进口连接位置设有副油道，该副油道连接到主油道上，在副油道上安装冷电磁阀开关；本发明能实现活塞内冷油腔和活塞底部分别润滑油喷油，改善冷启动时活塞和缸套的润滑情况，提高内燃机的热效率。

Description

一种电控活塞喷油冷却系统及其工作方法

技术领域：

本发明属于内燃机技术领域，具体的说，本发明涉及一种电控活塞喷油冷却系统及其工作方法。

背景技术：

内燃机工作时,各运动件表面之间由于存在相对高速运动而产生摩擦。如果金属表面直接摩擦,不仅会使内燃机内部功率损耗增加,而且会使摩擦表面迅速磨损,同时摩擦产生的大量热量,又会导致某些零件工作表面熔化,造成内燃机无法正常工作。为了保证内燃机正常工作,必须对各相对运动零件的表面进行润滑,使零件之间形成润滑油膜,将直接摩擦变为间接的液体摩擦,以减少磨损和功率损耗。现代内燃机润滑系统分为压力润滑和飞溅润滑两种：机油泵将机油从油底壳吸出,经集滤器到机油泵,再将机油送入机油滤清器过滤后压入主油道。主油道的机油一部分通过各曲轴主轴承油道分别进入主轴瓦和主轴颈,然后通过斜油孔进入连杆轴颈；另一部分上行进入凸轮轴轴套和气门摇臂轴衬套,对各摩擦表面进行压力润滑。当曲轴转动时,飞溅的油滴和油雾使气缸壁、活塞及活塞环表面得到润滑。当内燃机在工作时，其各个零件的工作条件和工作状态有所不同，系统的运行对于活塞润滑和冷却的程度要求也不一样，因此当前高负荷内燃机的活塞冷却经常通过在活塞底部使用喷嘴将润滑油喷射到活塞中的内冷油腔中，该部分通过机油泵压力供给；而活塞和缸套间的润滑通过飞溅润滑实现。

现有技术中冷却机油通过喷油嘴垂直向上喷射进入活塞内冷油腔的喷油方式不能对活塞底部有效冷却；或直接采用单喷嘴向上倾斜喷射的喷油方式，不能有效利用内冷油腔内的冷却，其两种方式分别存在机油冷却面积不足和冷却效率低的问题。

因此，有必要改善对活塞内冷油腔和活塞底部的冷却，并改善冷启动时活塞和缸套的润滑情况。

发明内容：

针对现有技术的不足，本发明设计了一种电控活塞喷油冷却系统及其工作方法，通过改变喷油嘴结构、改变机油道的结构和增加电磁阀开关等实现活塞内冷油腔和活塞底部分别润滑油喷油，并增加加热器改善冷启动时活塞和缸套的润滑情况，提高内燃机的热效率。

根据上文所表述现有系统的不足及改进思路，本发明所采用的技术方案是：一种电控活塞喷油的冷却系统，包括电控机油泵、喷油嘴，机油滤清器经机油冷却器进入主油道，其特征在于：

在机油滤清器和机油冷却器之间设置一个与喷油嘴进口相连的加热油道，并在加热油道里安装机油加热器，在靠近机油加热器进口附近的管路上安装热电磁阀开关，在机油加热器和喷油嘴进口连接位置设有副油道，该副油道连接到主油道上，在副油道上安装冷电磁阀开关；

所述喷油嘴采用内喷嘴和喷油嘴外套管双喷油方式，在内喷嘴外部加上喷油嘴外套管，所述喷油嘴外套管两端封闭，在喷油嘴外套管的前部上设有联通喷嘴支油道的密封孔，喷嘴支油道通过该密封孔将喷油嘴外套管的储油空间与喷油嘴主油道联通，在喷嘴支油道上安装喷油嘴电磁阀开关；喷嘴主油道直接联通内喷嘴，喷嘴支油道从喷嘴主油道旁边引出联通喷油嘴外套管的储油空间，喷嘴主油道进口连接机油加热器的出口，喷油嘴外套管末段侧面上沿圆周方向分布多个斜向上的外喷孔，多个外喷孔形成外环形喷嘴。

在机油加热器后安装压力传感器和温度传感器，ECU能获取该压力传感器和温度传感器的相应数据。所述三个电磁阀开关由ECU控制通断；变排量机油泵、机油加热器将工况数据信息传输给汽车ECU，由ECU控制冷却系统，实现内燃机最大功率的工作状态。

所述喷油嘴外形设计采用内喷嘴和外环形喷嘴双喷油方式，其中原喷嘴外形不变，在其外部加上外套管并与支油道相连，多个外喷孔向上倾斜的角度不一，靠近气缸内壁的多个外喷孔喷射角度一致，剩余远离气缸内壁的多个外喷孔喷射角度一致，所有外喷孔喷射角度均为上止点时活塞底部到气缸底部中间位置。

本发明适用于电控润滑冷却系统，对于摩擦功来说，在各种工况下，通过多种方案进行试验设计后，根据发动机台架实验得到最大功率所对应的压力控制方案即为最优方案。

上述电控活塞喷油冷却系统的工作方法，其特征在于，该工作方法的过程是：

(1)冷启动工况工作方式：

定义70℃为切换临界温度，并把机油加热器后的温度传感器反馈的温度值定为三个电磁阀开关通断的依据；当机油温度值低于此切换临界温度时，热电磁阀开关开启、喷油嘴电磁阀开关开启、冷电磁阀开关关闭，当机油温度高于此切换临界温度时热电磁阀开关关闭、冷电磁阀开关开启、喷油嘴电磁阀开关间接性打开关闭，即喷油嘴电磁阀开关在活塞位于下止点附近打开，活塞处于下止点位置时环形喷油喷射在活塞底部，对活塞底部冷却，喷油嘴电磁阀开关保持开启的时间以环形喷油位置处于活塞底部范围内为准，当喷油位置不在活塞底部范围时关闭；

在冷启动时，机油温度较低，且低于切换临界温度，通过上述方式控制相应电磁阀动作，热电磁阀开关开启、喷油嘴电磁阀开关开启、冷电磁阀开关关闭，将油温加热并传送到喷油嘴，油从内喷嘴和喷油嘴外套管喷出，喷油压力与正常工作时喷油压力相等，内喷嘴喷出润滑油起到加热活塞作用，喷油嘴外套管喷出的润滑油在进入活塞缸套摩擦界面前具有一定的温度，降低了润滑油粘度，降低活塞组受到的摩擦阻力；为稳定冷启动时加热油道的压力，ECU获取机油加热器后安装的压力传感器的压力数值，ECU根据压力数值调节热电磁阀开关的开度从而使加热油道压力保持稳定；

(2)正常工作工况工作方式：

1)首先，提前将不同转速不同负荷的内燃机工况开展台架试验，通过内燃机自带的主油道压力传感器获得主油道压力，将主油道压力和内燃机工况组合，进行试验以内燃机获得最大功率为依据，选出与内燃机工况对应的最优压力方案；

2)当发动机处于中小负荷工况时，活塞喷油冷却不工作，减少变排量电控机油泵功率损失，此时关闭热电磁阀开关和冷电磁阀开关；

3)当发动机处于较高负荷工况时，通过关闭热电磁阀开关、开启冷电磁阀开关、间接性打开关闭喷油嘴电磁阀开关，使油通过机油冷却器将温度降下来，此时，切换临界温度也成了机油加热器开关的依据，实现机油加热器的电控；

主油道压力由其内燃机自带的压力传感器反馈给ECU，对可变排量变排量电控机油泵进行电控，从而使各油道压力保持稳定。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

创新地改变了喷油嘴的结构，采用内喷嘴和外环形喷嘴双喷油的方式，根据装置运作情况实时地对喷油量以及喷油方向做出调整，使其一部分用于进入活塞内冷油腔，另一部分喷射到活塞底部进行冷却，实现活塞内冷油腔和底部分别冷却、优化冷却的效果，避免冷却不足或过度冷却，以提高内燃机的动力性和经济性。本发明系统不仅能对系统进行冷却也能对系统机油进行预热，在冷启动时对活塞和缸套摩擦副的润滑能起到降低摩擦的效果，使冷启动顺利。

附图说明

图1为电控活塞喷油冷却系统结构示意图。

图2为喷油嘴12改装图。

图3为改装喷油嘴主视剖面图。

图4为改装喷油嘴环形喷嘴位置的俯视剖面图。

上述图中的标记均为：1、油底壳；2、机油集滤器；3、变排量电控机油泵；4、机油滤清器；5、机油冷却器；6、机油加热器；7、热电磁阀开关；8、冷电磁阀开关；9、副油道；10、主油道；11、活塞；12、喷油嘴；13、连在主油道上的其他部件；14、汽车ECU；15、加热油道；16、压力传感器；17、喷嘴支油道；18、喷油嘴电磁阀开关；19、喷油嘴外套管；20、内喷嘴；21、外喷孔；22温度传感器。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助对本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，有助于其实施。

如图1，本发明提供了一种电控活塞喷油冷却系统，包括变排量电控机油泵3、喷油嘴12，机油集滤器2连接变排量电控机油泵3，变排量电控机油泵3的出口连接机油滤清器4，机油滤清器经机油冷却器5进入主油道10，在机油滤清器4和机油冷却器5之间设置一个与喷油嘴12进口相连的加热油道15并在加热油道里放置机油加热器6，在靠近机油加热器6进口附近的管路上安装一个热电磁阀开关7，在机油加热器6后安装压力传感器16和温度传感器22，在机油加热器6和喷油嘴12进口连接位置设有副油道9，该副油道连接到主油道上，在副油道9上安装一个冷电磁阀开关8。现有的主油道会引出很多副油道，供内燃机运行使用，主油道还与连在主油道上的其他部件13连接，这部分不属于本申请要保护的内容。

图2至图4为喷油嘴12的具体结构图，喷油嘴12采用内喷嘴20和喷油嘴外套管19双喷油方式，其中内喷嘴20外形与现有的喷油嘴外形一致，在其外部加上喷油嘴外套管19，所述喷油嘴外套管19(参见图3、4)呈中空管，中空管的内径略大于内喷嘴20的外径，使内喷嘴能套入中空管中且二者之间具有间隙，使内喷嘴能套入环形中空管中而不掉落，且喷油嘴外套管内径和内喷嘴外径之间的区域为中空储油空间，喷油嘴外套管的前端面封闭，在喷油嘴外套管的前部上设有联通喷嘴支油道17的密封孔，喷嘴支油道17联通喷油嘴外套管内径和内喷嘴外径之间的区域；喷嘴主油道直接联通内喷嘴20，喷嘴支油道17从喷嘴主油道旁边引出联通喷油嘴外套管19的中空区域，喷油嘴主油道进口连接机油加热器6的出口，在喷嘴支油道17上安装喷油嘴电磁阀开关18(参见图2)；喷油嘴外套管19末段上分布6个斜向上的外喷孔21，多个外喷孔形成外环形喷嘴，6个外喷孔分布在喷油嘴外套管的末端侧面上，因为喷油嘴12不是分布在气缸底部中间位置处，所以6个外喷孔角度不一，靠近气缸内壁的3个外喷孔喷射角度一致，远离气缸内壁的3个外喷孔喷射角度一致，6个外喷孔喷射角度均为上止点时活塞底部到气缸底部中间位置。

内喷嘴末端对准活塞底面的内冷油腔入口，喷油嘴外套管末端较内喷嘴末端短，当然喷油嘴外套管也可以为具有一定厚度的中空管，中空管套在内喷嘴外，内喷嘴与中空管管壁接触的两端焊接封闭，内喷嘴与中空管之间形成储油空间，在中空管前部设置密封孔，连接喷嘴支油道17，密封孔联通储油空间。喷油嘴外套管考虑长期使用寿命问题，采用金属材质(例如45号钢)并与内喷嘴之间有2mm供油流通间隙，即储油空间的厚度为2mm左右。

本申请中以与内喷嘴与喷油嘴主油道连接方向为前，以内喷嘴出口为末端。

上述机油加热器6、3个电磁阀开关(热电磁阀开关7、冷电磁阀开关8、喷油嘴电磁阀开关18)均接受ECU的控制；

同时，机油加热器6将工况数据信息传输给汽车ECU14，由汽车ECU14控制3个电磁阀开关的通断从而达到电控活塞喷油冷却系统的目的，实现内燃机最大功率的工作状态。

热电磁阀开关7可选择规格型号BURKERT比例电磁阀419762，冷电磁阀开关8、喷油嘴电磁阀开关18型号均可选择ZCG-B系列先导活塞式高温电磁阀。

机油加热器6可采用柴油发动机机油加热器4009347原装件，直接插入加热油道15并做好密封即可。

内喷嘴外径为φ6mm左右，喷油嘴外套管内径为φ8mm左右，外径为φ10mm左右，喷油嘴外套管包裹在内喷嘴外，且不滑落变形。

剩余产品型号可以均以为潍柴WP12内燃机设备型号为准，汽车ECU与各设备的连接方式采用现有技术，能实现上述的电连接控制即可。

本发明电控活塞喷油冷却系统的工作方式为：

(1)冷启动工况工作方式：

定义70℃为切换临界温度，并把机油加热器后的温度传感器22反馈的温度值定为3个电磁阀开关通断的依据；当机油温度值低于此切换临界温度时，热电磁阀开关7开启、喷油嘴电磁阀开关18开启、冷电磁阀开关8关闭，当机油温度高于此切换临界温度时热电磁阀开关7关闭、冷电磁阀开关8开启、喷油嘴电磁阀开关18间接性打开关闭(喷油嘴电磁阀开关18在活塞位于下止点附近打开，活塞处于下止点位置时环形喷油喷射在活塞底部，对活塞底部冷却，喷油嘴电磁阀开关18保持开启的时间以环形喷油位置处于活塞底部范围内为准，当喷油位置不在活塞底部范围时关闭)，电磁阀开关由车载ECU14控制；

在冷启动时，机油温度较低，且低于切换临界温度，通过上述方式控制相应电磁阀动作，热电磁阀开关7开启、喷油嘴电磁阀开关18开启、冷电磁阀开关8关闭，将油温加热并传送到喷油嘴12，油从内喷嘴和喷油嘴外套管喷出，喷油压力与正常工作时喷油压力相等，内喷嘴喷出润滑油起到加热活塞作用，喷油嘴外套管喷出的润滑油在进入活塞缸套摩擦界面前具有一定的温度，降低了润滑油粘度，降低活塞组受到的摩擦阻力。为稳定冷启动时加热油道的压力，压力传感器16将压力数值传输给ECU 14，ECU14根据压力数值调节热电磁阀开关7的开度从而使加热油道15压力保持稳定。

(2)正常工作工况工作方式：

1)首先，提前将不同转速不同负荷的内燃机工况开展台架试验，通过内燃机自带的主油道压力传感器获得主油道压力，将主油道压力和内燃机工况(转速、负荷)组合，进行试验以内燃机获得最大功率为依据，选出与内燃机工况对应的最优压力方案。

2)当发动机处于中小负荷工况时，活塞喷油冷却不工作，可以减少变排量电控机油泵功率损失，此时关闭热电磁阀开关7和冷电磁阀开关8。

3)当发动机处于较高负荷工况时，通过关闭热电磁阀开关7、开启冷电磁阀开关8、间接性打开关闭喷油嘴电磁阀开关18，使油通过机油冷却器5将温度降下来，此时，切换临界温度也成了机油加热器开关的依据，这也实现了机油加热器6的电控。间接性打开关闭主要为了控制外喷嘴的喷油时间，使活塞在上下运动时机油能够精准的喷射到活塞底部范围进行冷却而不喷射到缸套上造成浪费，同时也控制了内外喷嘴的喷油量，使少量油从外喷孔21喷出进行活塞裙部冷却，剩余大部分机油从内喷嘴喷出进行冷却活塞。主油道压力由其内燃机自带的压力传感器反馈给ECU14，对可变排量变排量电控机油泵进行电控，这个是现有技术，详见参考文献【肖周志,邓国峰.内燃机节能减排中的变排量技术[J].内燃机与配件,2012(06):9-13.】，从而使各油道压力保持稳定。

具体的说，在冷启动时热电磁阀开关7开启、喷油嘴电磁阀开关18开启、冷电磁阀开关8关闭，经过加热后的高温油从内喷嘴喷出，使其在进入活塞缸套前具有一定的温度，同时汽车ECU使加热油道压力保持稳定，使冷启动更加顺利，并降低了内燃机的工作损耗，提高了内燃机正常工作时的机油热效率，从而解决了汽车冷启动时启动困难、排放量高等问题；当内燃机处于较高负荷工况时，热电磁阀开关7关闭、冷电磁阀开关8开启、喷油嘴电磁阀开关18间接性打开关闭，使少量油从外喷孔喷出进行活塞裙部冷却，剩余大部分机油从内喷嘴喷出进行冷却活塞，实现喷油方向改变，使现有单纯对准活塞内冷油腔或者单一方向倾斜喷射冷却变为活塞和活塞裙部共同冷却方式，使其在高负荷工况下能够降低活塞的损耗，以降低机械损失功率，使整个发动机保持在最大功率下运行，提高发动机效率。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (5)

1.一种电控活塞喷油冷却系统，包括电控机油泵、喷油嘴，机油滤清器经机油冷却器进入主油道，其特征在于：

在机油滤清器和机油冷却器之间设置一个与喷油嘴进口相连的加热油道，并在加热油道里安装机油加热器，在靠近机油加热器进口附近的管路上安装热电磁阀开关，在机油加热器和喷油嘴进口连接位置设有副油道，该副油道连接到主油道上，在副油道上安装冷电磁阀开关；

所述喷油嘴采用内喷嘴和喷油嘴外套管双喷油方式，在内喷嘴外部加上喷油嘴外套管，所述喷油嘴外套管两端封闭，在喷油嘴外套管的前部上设有联通喷嘴支油道的密封孔，喷嘴支油道通过该密封孔将喷油嘴外套管的储油空间与喷油嘴主油道联通，在喷嘴支油道上安装喷油嘴电磁阀开关；喷嘴主油道直接联通内喷嘴，喷嘴支油道从喷嘴主油道旁边引出联通喷油嘴外套管的储油空间，喷嘴主油道进口连接机油加热器的出口，喷油嘴外套管末段侧面上沿圆周方向分布多个斜向上的外喷孔，多个外喷孔形成外环形喷嘴。

2.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，在机油加热器后安装压力传感器和温度传感器，三个电磁阀开关由ECU控制通断，机油泵、机油加热器将工况数据信息传输给汽车ECU，由汽车ECU控制冷却系统。

3.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，多个外喷孔向上倾斜的角度不一，靠近气缸内壁的多个外喷孔喷射角度一致，剩余远离气缸内壁的多个外喷孔喷射角度一致，所有外喷孔喷射角度均为上止点时活塞底部到气缸底部中间位置。

4.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，所述喷油嘴外套管呈中空管，中空管的内径大于内喷嘴的外径，喷油嘴外套管末段上分布六个斜向上的外喷孔。

5.一种权利要求2所述的电控活塞喷油冷却系统的工作方法，其特征在于，该工作方法的过程是：

(1)冷启动工况工作方式：

定义70℃为切换临界温度，并把机油加热器后的温度传感器反馈的温度值定为三个电磁阀开关通断的依据；当机油温度值低于此切换临界温度时，热电磁阀开关开启、喷油嘴电磁阀开关开启、冷电磁阀开关关闭，当机油温度高于此切换临界温度时热电磁阀开关关闭、冷电磁阀开关开启、喷油嘴电磁阀开关间接性打开关闭，即喷油嘴电磁阀开关在活塞位于下止点附近打开，活塞处于下止点位置时环形喷油喷射在活塞底部，对活塞底部冷却，喷油嘴电磁阀开关保持开启的时间以环形喷油位置处于活塞底部范围内为准，当喷油位置不在活塞底部范围时关闭；

在冷启动时，机油温度较低，且低于切换临界温度，通过上述方式控制相应电磁阀动作，热电磁阀开关开启、喷油嘴电磁阀开关开启、冷电磁阀开关关闭，将油温加热并传送到喷油嘴，油从内喷嘴和喷油嘴外套管喷出，喷油压力与正常工作时喷油压力相等，内喷嘴喷出润滑油起到加热活塞作用，喷油嘴外套管喷出的润滑油在进入活塞缸套摩擦界面前具有一定的温度，降低了润滑油粘度，降低活塞组受到的摩擦阻力；为稳定冷启动时加热油道的压力，ECU获取机油加热器后安装的压力传感器的压力数值，ECU根据压力数值调节热电磁阀开关的开度从而使加热油道压力保持稳定；

(2)正常工作工况工作方式：

1)首先，提前将不同转速不同负荷的内燃机工况开展台架试验，通过内燃机自带的主油道压力传感器获得主油道压力，将主油道压力和内燃机工况组合，进行试验以内燃机获得最大功率为依据，选出与内燃机工况对应的最优压力方案；

2)当发动机处于中小负荷工况时，活塞喷油冷却不工作，减少变排量电控机油泵功率损失，此时关闭热电磁阀开关和冷电磁阀开关；

3)当发动机处于较高负荷工况时，通过关闭热电磁阀开关、开启冷电磁阀开关、间接性打开关闭喷油嘴电磁阀开关，使油通过机油冷却器将温度降下来，此时，切换临界温度也成了机油加热器开关的依据，实现机油加热器的电控；

主油道压力由其内燃机自带的压力传感器反馈给ECU，对可变排量变排量电控机油泵进行电控，从而使各油道压力保持稳定。

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