CN117823314A - 混合喷射的发动机直喷系统、发动机及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种燃油‑水混合喷射的活塞式发动机直喷系统、装备该系统的发动机、及控制方法。混合喷射的发动机直喷系统包括：供油管路；喷油器，其进口与供油管路连接；回油管，其与喷油器连接；喷气嘴；混合喷射装置；雾化装置；和雾化装置。其中，混合喷射装置包括：混合液喷嘴；混合腔，其与喷油器的出口、喷气嘴的出口、混合液喷嘴的进口连接；雾化装置包括：进气管，其设置在雾化装置的输入端；供气管，其设置在雾化装置的输出端，其中，供气管的出口与喷气嘴的进口连接；供水装置，其通过进水管与雾化装置的喉管处连接。
Description
技术领域
本申请涉及发动机气缸内直喷的技术领域，更具体地，涉及一种混合喷射的发动机直喷系统、发动机及其控制方法。
背景技术
活塞式直喷发动机的喷雾和油气混合过程对于发动机工作性能具有很大影响。对于点燃式发动机，燃油和新鲜空气、残余废气的充分混合有利于形成稳定的火焰传播过程，而通过直喷形成燃油分层可以实现缸内火焰传播速度的调控。对于压燃式发动机，直喷燃油和空气的扩散有助于形成火焰封面，实现稳定的扩散燃烧过程。而不合理的油气混合过程会导致点燃式发动机爆震，而压燃式发动机压升率过高，工作粗暴。而不正常的燃烧过程和压力变化会导致发动机运行稳定性和可靠性下降。因此，需要合理优化活塞式发动机的喷油和油气混合过程。
近年来，燃油和水或醇类燃料混合喷射可以实现燃油蒸发混合过程的优化和缸内热氛围的优化控制。在提供燃烧所需燃料的同时，利用水的汽化降低缸内燃烧温度，抑制高负荷下燃油的自燃倾向，实现稳定可控的燃烧过程。同时，在燃油-水混合物中，混合物以油包水型乳化油的形式存在，由于水的沸点低于燃油，因此在缸内的高温环境下，水首先达到沸点开始蒸发，当缸内温度压力继续上升达到对应的饱和温度时，水蒸汽会突破油膜表面张力使油滴破碎，对缸内的燃油进行二次雾化，发生“微爆”现象，优化了缸内燃油的雾化。此外，用燃油-水混合物中水在高温下的离解效果也可对缸内的燃烧过程起到优化作用。水在高温条件下会离解成氧及氢氧离子，形成活性中心，它们对燃烧反应会起促进作用，使燃烧过程更充分。同时利用混合物中水对缸内燃烧温度的降低效果也可以降低污染物排放，特别是对氮氧化物(NOx)降低具有显著效果。
虽然，燃油水混合喷射技术拥有较好的效果和广阔的应用前景，但是，目前通常使用的是燃油和水在油箱混合或燃油和水缸内混合的方式。燃油和水在油箱混合，不需要改进现有的喷射方式和喷射设备，同时结构较为简单，维护难度低。但是，长时间的燃油和水混合容易形成燃油分层，需要采用合理的混合方式进行混合。同时，燃油和水混合容易形成乳化燃油，长时间的乳化状态下燃油容易变性失去其燃烧性能，而燃油和水通过两个直喷喷油器在缸内混合，虽然，这种方法不易使燃油变性或水油分层，但是需要两套直喷系统，且水油混合过程的控制复杂，需要考虑缸内流动和运行条件等因素，合理设计喷油器位置和喷射时刻等控制参数。
发明内容
考虑到燃油-水混合缸内直喷技术在调控活塞式发动机缸内燃烧过程，优化发动机运行性能的优势，本申请提出了一种燃油-水混合喷射的活塞式发动机直喷系统，并根据该系统设计了装备该系统的发动机及其控制方法。
本申请提供了一种混合喷射的发动机直喷系统，包括：
供油管路；
喷油器，其进口与供油管路连接；
回油管，其与喷油器连接；
喷气嘴；
混合喷射装置，包括：
混合液喷嘴；
混合腔，其与喷油器的出口、喷气嘴的出口、混合液喷嘴的进口连接；
雾化装置，包括：
进气管，其设置在雾化装置的输入端；
供气管，其设置在雾化装置的输出端，其中，供气管的出口与喷气嘴的进口连接；
供水装置，其通过进水管与雾化装置的喉管处连接。
在一些实施例中，进气管与气泵连接，为系统提供燃气。
在一些实施例中，雾化装置是文丘里管雾化结构、带有超声波探头的雾化结构、或化油器雾化结构中的一种。
在一些实施例中，发动机包括：
如前的混合喷射的发动机直喷系统；
气缸体；
气缸盖，其盖设在气缸体上，并与混合液喷嘴的出口连接；
活塞；
曲轴，其与活塞连接，其中，活塞与曲轴设置在气缸体内；
油箱；和
油泵，其进口与油箱连接，其出口与供油管路连接。
在一些实施例中，前述系统的控制方法具体方法如下。
打开气泵，向进气管中送气，并开启油泵，使油箱中的燃油泵送入供油管路；
将喷油器开启第一脉宽，并将喷气嘴开启第二脉宽，以控制喷油量和喷气量，从而使来自喷油嘴的燃油和来自喷气嘴的气液混合物都注入混合腔，控制燃油与气液混合物比例达到预设值；
当燃油与气液混合物比例达到预设值时，以发动机工作循环为周期开启混合液喷嘴，将混合腔内的混合物直喷入气缸体中；引燃混合物实现发动机周期性做功；
当混合腔内全部燃油喷射入气缸体内时，结束混合液喷嘴的喷射，并结束气液混合物喷射入混合腔。
本申请相比于其他混合方式具有以下的有益效果：
安装孔以安装两套喷射系统，且喷射系统的位置和喷雾不需要进行复杂的设计。同时，由于水和燃油在直喷前才进行混合，且通过气体输运水，水和燃油可以充分隔离，避免混合时间过长造成燃油性质变化。
通过输入的气体辅助建立喷射压力，不需要给水路和油路建立复杂的燃油加压系统，只需要一套低压燃油油泵和气泵即可实现功能。相较于两套喷射装置，系统更为简单。
通过在0％-100％的范围之间调节油水比例，对发动机进行循环周期性调节，实现停缸过程，对发动机热力过程和工作性能进行协同优化。
附图说明
图1为混合喷射直喷系统的结构示意图。
图2为雾化装置的结构示意图。
图3为混合喷射直喷系统在发动机上布置位置示意图。
图4为系统控制逻辑示意图。
附图标记：
1-供油管路、2-喷油器、3-回油管、4-混合腔、5-喷气嘴、6-雾化装置、7-进气管、8-混合液喷嘴、9-气缸盖、10-供水装置、11-气缸体、12-活塞、13-曲轴。
a-文丘里管雾化结构、b-带有超声波探头的雾化结构、c-化油器雾化结构。
14-油泵、15-油箱、16-混合喷射装置、17-供气管、18-气缸盖、19-气缸体。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本申请进行进一步的阐述。
如图1所示的一种燃油-水混合喷射的活塞式发动机直喷系统，包括：供油管路1，喷油器2，回油管3，喷气嘴5，混合喷射装置、雾化装置6。喷油器2进口与供油管路连接。回油管3与喷油器连接。混合喷射装置，包括混合液喷嘴8和混合腔4，混合腔4与喷油器2的出口、喷气嘴5的出口、混合液喷嘴8的进口连接。
燃油和水分别储存于两个储存装置，并通过装在发动机的气缸盖9上的混合喷射装置16，以发动机工作循环为周期混合，直喷入活塞式发动机气缸内，通过压燃或点燃方式实现周期性做功。通过该混合喷射装置16将分置于两个储存装置的燃油和水在系统混合腔4内进行以发动机循环为周期的实时混合，同时通过气体建立混合液压力，之后通过在混合腔4底部的混合喷射装置16实现气缸体19内油水混合液直喷。
雾化装置6，包括进气管7，供气管17，和供水装置10。进气管7设置在雾化装置的输入端；供气管17设置在雾化装置的输出端，其中，供气管17的出口与喷气嘴5的进口连接。供水装置10通过进水管与雾化装置6的喉管处连接。其中，进气管7与气泵连接。开启气泵对系统进行供气时，雾化装置6吸入供水装置10中的水和来自进气管7的气体，形成气液混合物。图2示出了的三种类型的雾化装置：文丘里管雾化结构(a)、带有超声波探头的雾化结构(b)、化油器雾化结构(c)。
本申请的一些实施例还提供了装备前述系统的发动机，该系统在发动机上的布置示意图如图3所示。
一些实施例提供了如前的混合喷射的发动机直喷系统的发动机，该发动机包括：气缸体19，气缸盖18，活塞12，曲轴13，油泵14，油箱15。气缸盖18盖设在气缸体19上，并与混合液喷嘴8的出口连接；曲轴13与活塞12连接，其中，活塞12与曲轴13设置在气缸体19内；油泵14，其进口与油箱15连接，其出口与供油管路1连接。
前述系统的控制方法如图4所示。
燃油通过供油装置管路1，再经喷油器2喷入混合腔4；气体通过气泵加压，再依次经由进气管7和供气管17供入混合腔4；水通过供水装置10，再经由雾化装置6随进气管7提供的气体进入混合腔4，并在发动机每个工作循环通过气体建立压力，实现油水混合液的气缸体19内直喷。
喷入活塞式发动机缸内的燃油量由连入混合腔的喷油器喷油量控制。燃油量根据发动机预设标定参数(可以由实验获得)计算。
喷入活塞式发动机缸内的水量由雾化装置提供的水量、气体供应脉宽和气体供应压力共同控制。而随着气体压力升高，喷射压力也会升高。因此为了保证固定混合液喷射压力，气体压力、气体喷嘴开启时刻和液面静压高度需要协同控制以调控喷射混合液掺水量。
喷入活塞式发动机缸内的混合液总量由每循环喷入混合腔的供水量和喷油量共同控制，而混合液的喷射压力由气体压力控制。
在实际喷射过程中，混合液喷射压力等于气体压力。而燃油向混合腔内的喷射压力需要大于气体压力，可以由实验建立喷射压力、气体压力与燃油喷射量的关系。混合液的喷射脉宽通过实验标定，以混合腔内全部燃油喷射入缸内作为混合喷口喷射和水-气体喷射入混合腔的结束时刻。
根据发动机转速和工作负荷控制混合液中的含水量，通过将分别储存的燃油和通过气体供应的水以发动机工作循环为周期混合后建立压力直喷入缸内，通过控制水-油混合液每循环混合和随后的直喷时刻，控制水的蒸发和液滴破碎时刻，从而控制喷射的燃油的蒸发和扩散混合速率，乃至燃烧时刻与速度。发动机可以在0-100％水油比例间实时切换，通过关闭喷油实现循环停缸操作，通过喷水降低缸内废气温度，从而以循环为间隔周期性喷油，并且不同燃料的喷水比例也应根据实际情况动态改变。
同时，通过汽化吸热吸收缸内的热量调控缸内热氛围，可以实现对燃油燃烧过程的控制，从而抑制发动机爆震(点燃式)或工作粗暴(压燃式)。
实施例1：在本申请所提及的改造后的点燃式缸内直喷发动机中，通过控制水-油混合液每循环混合和随后的直喷时刻，控制水的蒸发和液滴破碎时刻，从而控制喷射的燃油蒸发和扩散混合速率。同时，通过汽化吸热吸收缸内的热量调控缸内热氛围，可以实现对燃油燃烧过程的控制，从而抑制发动机爆震(点燃式)或工作粗暴(压燃式)。当本申请中所涉及的油水混合喷射方法启用后，油箱15中燃油经油泵14后在混合腔3处的喷油器前端建立7bar的喷油压力。本实施例中，雾化装置6具有文丘里管雾化结构，根据文丘里管原理，利用高压气流在文丘里管喉管处的压降作用，将供水装置10中的水吸入供气管中17，并利用气体的吹扫作用将水破碎蒸发。其中，气路中供气压力为5bar，管内气体流速约为10m/s。进口管半径与文丘里管缩口直径比约在3～5之间，根据伯努利方程，约可提供0.7bar左右的相对压差，通过合理的管道设计，可满足将水箱内的水流经文丘里管内的喉管处吸入供气管17中。在供气管的水-气混合物随气体流动到达喷气嘴5前端并建立压力。在设定工况点下，发动机的进气行程过程中，发动机ECU控制喷油器2打开第一脉宽(2000～4000μs)，并控制喷气嘴5开启第二脉宽(1000～2000μs)，控制燃油与气液混合物比例达到预设值，本实施例中为4：1。在混合腔4内注入燃油与水-气混合物，在混合腔4内进行混合并通过混合喷射装置16喷入气缸内。其中，控制喷气嘴5、喷油器2以及混合喷射装置16在燃烧上止点前300～400CA的某一标定时刻下同时关闭，以避免混合腔4内留存过多的混合物。将混合物喷射入发动机燃烧室内，通过燃烧做功以完成一个工作循环。
实施例2：在本申请所提及的改造后的点燃式缸内直喷发动机中，通过控制水-油混合液每循环混合和随后的直喷时刻，控制水的蒸发和液滴破碎时刻，从而控制喷射的燃油蒸发和扩散混合速率。同时，通过汽化吸热吸收缸内的热量调控缸内热氛围，可以实现对燃油燃烧过程的控制，从而抑制发动机爆震(点燃式)或工作粗暴(压燃式)。当本申请中所涉及的油水混合喷射方法启用后，油箱15中燃油经油泵14后在混合腔3处的喷油器前端建立7bar的喷油压力。在本实施例中，雾化装置6具有带有超声波探头的雾化结构，采用超声波雾化方法，利用雾化装置6内的超声波探头将水雾化后与高压气体混合，在供气管17的水-气混合物随气体流动到达5喷气嘴前端并建立压力。在设定工况点下，发动机的进气行程过程中，发动机ECU控制喷油器2打开2000～4000μs脉宽时间，并控制喷气嘴5开启1000～2000μs脉宽时间，控制燃油与气液混合物比例为4：1。在混合腔4内注入燃油与水-气混合物，在混合腔4内进行混合并通过混合喷射装置16喷入气缸内。其中，控制喷气嘴5、喷油器2以及混合喷射装置16在燃烧上止点前300～400CA的某一标定时刻下同时关闭，以避免混合腔4内留存过多的混合物。将混合物喷射入发动机燃烧室内，通过燃烧做功以完成一个工作循环。
实施例3：在本申请所提及的改造后的点燃式缸内直喷发动机中，通过控制水-油混合液每循环混合和随后的直喷时刻，控制水的蒸发和液滴破碎时刻，从而控制喷射的燃油蒸发和扩散混合速率。同时，通过汽化吸热吸收缸内的热量调控缸内热氛围，可以实现对燃油燃烧过程的控制，从而抑制发动机爆震(点燃式)或工作粗暴(压燃式)。当本申请中所涉及的油水混合喷射方法启用后，油箱15中燃油经油泵14后在混合腔3处的喷油器前端建立7bar的喷油压力。本实施例中，雾化装置为化油器雾化结构，采用化油器雾化方法，利用高压气流在化油器喉管处的压降作用，将供水装置10中的水吸入供气管17中，并利用气体的吹扫作用将水破碎蒸发，并通过节气门板调节水-气混合物流量。在供气管17的水-气混合物随气体流动到达喷气嘴5前端并建立压力。在设定工况点下，发动机的进气行程过程中，发动机ECU控制喷油器2打开2000～4000μs脉宽时间，并控制喷气嘴5开启1000～2000μs脉宽时间，控制燃油与气液混合物比例为4：1。在混合腔4内注入燃油与水-气混合物，在混合腔4内进行混合并通过混合喷射装置16喷入气缸内。其中，控制喷气嘴5、喷油器2以及混合喷射装置16在燃烧上止点前300～400CA的某一标定时刻下同时关闭，以避免混合腔4内留存过多的混合物。将混合物喷射入发动机燃烧室内，通过燃烧做功以完成一个工作循环。
尽管上面结合附图对本申请进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本申请的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种混合喷射的发动机直喷系统，其特征是，包括：
供油管路；
喷油器，其进口与所述供油管路连接；
回油管，其与所述喷油器连接；
喷气嘴；
混合喷射装置，包括：
混合液喷嘴；
混合腔，其与所述喷油器的出口、所述喷气嘴的出口、所述混合液喷嘴的进口连接；
雾化装置，包括：
进气管，其设置在所述雾化装置的输入端；
供气管，其设置在所述雾化装置的输出端，其中，所述供气管的出口与所述喷气嘴的进口连接；
供水装置，其通过进水管与所述雾化装置的喉管处连接。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述进气管与气泵连接，为所述系统提供燃气。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述雾化装置是文丘里管雾化结构、带有超声波探头的雾化结构、或化油器雾化结构中的一种。
4.一种发动机，其特征是，包括：
如权利要求1所述的混合喷射的发动机直喷系统；
气缸体；
气缸盖，其盖设在所述气缸体上，并与所述混合液喷嘴的出口连接；
活塞；
曲轴，其与所述活塞连接，其中，所述活塞与所述曲轴设置在所述气缸体内；
油箱；和
油泵，其进口与所述油箱连接，其出口与所述供油管路连接。
5.一种根据权利要求1所述的系统的控制方法，其特征是，包括以下步骤：
打开气泵，向进气管中送气，并开启油泵，使油箱中的燃油泵送入供油管路；
将喷油器开启第一脉宽，并将喷气嘴开启第二脉宽，以控制喷油量和喷气量，从而使来自所述喷油嘴的燃油和来自所述喷气嘴的气液混合物都注入混合腔，控制燃油与气液混合物比例达到预设值；
当燃油与气液混合物比例达到预设值时，以发动机工作循环为周期开启混合液喷嘴，将所述混合腔内的混合物直喷入气缸体中；引燃混合物实现发动机周期性做功；
当所述混合腔内全部燃油喷射入所述气缸体内时，结束所述混合液喷嘴的喷射，并结束气液混合物喷射入所述混合腔。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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