CN201321892Y - 亚临界蒸汽辅助做功汽油机 - Google Patents

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CN201321892Y CNU2008202229477U CN200820222947U CN201321892Y CN 201321892 Y CN201321892 Y CN 201321892Y CN U2008202229477 U CNU2008202229477 U CN U2008202229477U CN 200820222947 U CN200820222947 U CN 200820222947U CN 201321892 Y CN201321892 Y CN 201321892Y
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肖庆钊
聂伦
王永伍
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Abstract

一种亚临界蒸汽辅助做功汽油机，包括一个汽油机缸内喷水装置；该装置包括水箱，电控单元，由电控单元控制的水泵、水轨、喷水嘴和温度传感器；其特征是：水泵为低压水泵和将水加压至200bar以上的高压水泵；低压水泵置于水箱内，低压水泵与高压水泵连通，高压水泵通过高压水管与水轨连通；喷水嘴与水轨相连通、喷水口伸入汽油机燃烧室内；还包括一个将水加热至250℃以上但不超过374.2℃的汽油机的排气管，高压水管穿过该排气管后再与水轨连通。采用本实用新型，利用发动机尾气余热循环做功，节油；喷入缸内的高压水温度处于亚临界状态，在缸内压力条件下瞬时汽化，提高气缸爆发压力，在不增加喷油量的前提下，提高输出扭矩和功率。

Description

亚临界蒸汽辅助做功汽油机
技术领域
本实用新型属于一种有往燃气、燃料或燃料空气混合气中加入水或蒸汽的装置的燃烧发动机，特别涉及一种亚临界蒸汽辅助做功汽油机。
背景技术
汽油机工作时，一般是将空气、汽油混合气吸入气缸，或在吸气冲程，将汽油喷入缸内混合，压缩冲程结束前，用火花塞点燃混合气，混合气燃烧，缸内气体的温度升高，压强增加，推动活塞运动做功。由于汽油机的做功介质只包含汽油与空气燃烧产物，不再增加其它的膨胀介质，缸内温度高，容易生成氮氮化合物等有害物质；冷却系统负担大；爆震可能性增加，不利于实现更大的压缩比；尾气温度高，对靠近燃烧室的排气道材质耐高温和强度要求较高；大量热能通过排气和冷却系统散发，不仅未转化为动力，反而会消耗动力(须使用消耗功率更大的风扇和水泵)；使得现有技术中汽油机的热效率不足三分之一，在汽缸内，汽油与氧气化学反映释放的化学能，三分之一以热能形式通过汽缸壁、活塞、汽缸盖及汽油机散热系统带走，三分之一以热能的方式被尾气带走；热效率较低，能源浪费较多。
发明内容
本实用新型的目的旨在克服上述现有技术中的不足，提供一种亚临界蒸汽辅助做功汽油机，从而提高汽油机热效率，提高升扭矩和升功率，节油并降低排放。
本实用新型采用一套与现有技术中汽油机缸内直喷系统类似的水喷射装置，即通过电控单元(ECU或ECM)采集发动机转速、喷油量(利用电喷系统电控单元的现成数据)和水温温度等参数，选择合适的时间、适当的喷射速率、合理的喷射量，将通过排气管加热得到的亚临界蒸汽喷入汽缸，在缸内压力条件下瞬时汽化，提高气缸爆发压力，在不增加喷油量的前提下，提高输出扭矩和功率，达到节油和降低排放的目的。
本实用新型的内容是：一种亚临界蒸汽辅助做功汽油机，包括：一个汽油机缸内喷水装置；该汽油机缸内喷水装置包括水箱，电控单元，与电控单元电连接并由电控单元(ECU或ECM)控制的水泵、水轨(类似于高压共轨柴油机的油轨)、喷水嘴(安装在缸盖上，类似于高压共轨柴油机的油嘴)和温度传感器；其特征是：
所述水泵为低压水泵(7)和将水加压至200bar以上的高压水泵(6)；
所述低压水泵(7)置于水箱(8)内，低压水泵(7)的进水口与水箱(8)相连通、出水口通过水管与高压水泵(6)的进水口相连通，高压水泵(6)的出水口通过高压水管(4)与水轨(1)的进水口连通；
所述喷水嘴(2)通过水管与水轨(1)的出水口相连通，喷水嘴(2)的喷水口伸入汽油机燃烧室内；
还包括：一个将水加热至250℃以上但不超过374.2℃的汽油机的排气管(18)(实现与汽油机尾气的热交换)，所述高压水管(4)穿过该排气管(18)后再与水轨(1)的进水口连通。
本实用新型的内容中：所述排气管(18)上较好的是还连通有汽油机的尾气净化器(5)(可以是三元催化器)，结构同现有技术。
本实用新型的内容中：所述高压水管(4)中，穿过排气管(5)的一段高压水管(4)较好的是呈螺旋状。以利于热量的吸收。
本实用新型的内容中：所述温度传感器(3)安装在排气管(18)末端的高压水管(4)上，为电控单元提供信号输入，以便准确地测得水温。
本实用新型的内容中：所述汽油机是四冲程汽油机。
本实用新型的内容中：所述排气管(18)、尾气净化器(5)(三元催化器)、汽油机燃烧室等的结构等可以同现有技术。
与现有技术相比，本实用新型具有下列特点和有益效果：
(1)水的沸点随压力增加而升高，汽化潜热相应降低；在标准大气压下，水的沸点是100℃，汽化热是2258.4干焦/千克；但在220.7bar的压力下，水的沸点为374℃，汽化热为零；温度高于374℃，无论多高压力，水都不能再以液态形式存在。水在高压下温度达到374℃，即为气态和液态的临界状态；接近此温度，即为亚临界状态；
汽油机的排气温度为700-900℃，除保持汽油机的尾气净化器(三元催化器)的正常工作温度外，不再具有任何价值；在大多数情况下，高温所蕴藏的能量被白白浪费掉。利用尾气的温度，不再额外提供热能，即可将水升温至亚临界状态；
在做功行程，汽油机的缸内最高压力为30-50bar，对应的水的沸点为240℃-270℃，将亚临界状态的水喷入气缸，水温远高于气缸压力下水的沸点瞬时膨胀汽化，形成亚临界高压蒸汽，提高气缸压力，增加活塞有效压力，蒸汽热能转化为机械能，即可提高汽油机热效率；
(2)采用本实用新型，充分利用汽油机现有结构，利用发动机尾气余热循环做功，达到节油的目的；本实用新型装置可借用较成熟的现有技术、在现有汽油机缸内直喷系统或柴油机高压共轨系统的基础上改造，简便易行；利用电控单元(ECU或ECM)进行喷水时间和喷水量管理，可使用单独一个ECU(或ECM)，也可以与管理进气和供油的ECU(或ECM)共用，冷起动及暖机过程中不喷水，并可根据工况灵活标定和调节喷水量和喷水时间，趋利避害；具备通过标定实现调整喷水时间、多次喷水达到排放最佳、油耗最省的潜力；
(3)采用本实用新型，喷水嘴安装在汽油机燃烧室内，在燃烧冲程的某阶段将经过加温达到亚临界状态的高压水喷入汽缸，喷入缸内的高压水温度处于亚临界状态，在缸内压力条件下，水温远高于水的沸点瞬时汽化，提高气缸爆发压力，在不增加喷油量的前提下，提高输出扭矩和功率；通过控制喷水量和喷水时间，可减少和避免对燃烧进程的消极影响；喷水后气缸温度降低，可抑制氮氧化合物生成；回收尾气热能做功，同时降低做功冲程汽缸壁、活塞、汽缸盖等的散热，让热能最大限度地转化为机械能，提高汽油机热效率；
(4)结构简单，生产安装使用方便，实用性强。
附图说明
图1是本实用新型实施例原理结构示意图；
图2-4是本实用新型实施例中喷水嘴安装位置及工作状态结构示意图。
图中：1-水轨(与汽油机油轨功能和结构相似)、2-喷水嘴、3-温度传感器、4-高压水管、5-汽油机的尾气净化器(可以是三元催化器)、6-高压水泵、7-低压水泵、8-水箱、9-电控单元(即ECU或ECM)、10-进气管、11-火花塞、12-相位传感器、13-燃烧室、14-汽缸、15-活塞、16-汽缸盖、17-曲轴、18-排气管。
具体实施方式
下面结合附图通过实施例对本实用新型作进一步说明。
实施例1：参见各附图。
一种亚临界蒸汽辅助做功汽油机(四冲程汽油机)，包括一个汽油机缸内喷水装置；该汽油机缸内喷水装置包括：水箱8，电控单元9(与现有技术中汽油机缸内直喷系统的电控单元结构组成和功能相似，或称ECU或ECM，进行喷水时间和喷水量管理，可使用单独一个ECU或ECM，也可以与管理进气和供油的ECU或ECM共用)，与电控单元9电连接并由电控单元9控制的水泵、水轨1(类似于现有技术中高压共轨柴油机的油轨结构和功能)、喷水嘴2(安装在汽缸盖16上，类似于现有技术中高压共轨柴油机的油嘴结构和功能)和温度传感器3，一个将水加热至250℃以上但不超过374.2℃的汽油机的排气管18；
所述水泵为低压水泵7和将水加压至200bar以上的高压水泵6；
所述低压水泵7置于水箱8内，低压水泵7的进水口与水箱8相连通、出水口通过水管与高压水泵6的进水口相连通，高压水泵6的出水口通过高压水管4、高压水管4穿过排气管18(实现与尾气的热交换)后与水轨1的进水口连通；
所述喷水嘴2通过水管与水轨1的出水口相连通，喷水嘴2的喷水口伸入汽油机燃烧室13内；
所述排气管18上连通有汽油机的尾气净化器5(可以是三元催化器)；
所述高压水管4中，穿过排气管5的一段高压水管4呈螺旋状；
所述温度传感器3安装在排气管18末端(即尾气加热末端，为ECU或ECM提供信号输入)的高压水管4上。
使用时，水箱8安装在汽车底盘上或发动机机舱内(根据整车设计需要布置)，低压水泵7放置在水箱8内、高压水泵6安装在水箱8上，水轨1安装在汽缸盖16上，喷水嘴2安装在汽缸盖16上、尾部与水轨1相联，喷水嘴2的喷水口伸入燃烧室13内。
工作时，通过低压水泵7为高压水泵6供水，从高压水泵6输出压高压水到高压水管4，高压水管4通过排气管18与汽油机的尾气净化器5(可以是三元催化器)共同构成的热交换器，高压水与发动机尾气进行热交换；经过热交换后的高压水管4与水轨1连接，将经过加温达到亚临界状态的高压水提供给水轨1；水轨1与喷水嘴2连接，为喷水嘴2提供亚临界高压水；喷水嘴2安装在汽缸盖16上，喷嘴伸入燃烧室13；喷水嘴2根据电控单元(ECU或ECM)给的电信号开启喷水；
温度传感器3将测量水温转化为电信号传递给电控单元(ECU或ECM)，电控单元(ECU或ECM)根据电信号(即水温)启动系统(本实施例缸内喷水装置)，根据内部储存的标定过的经验数据，计算喷水时间和喷水量；水温低于设定值时，系统不启动，系统不工作；水温高于设定值时，在燃烧工况某设定曲轴转角，系统起动，喷水嘴2喷水，喷水量(持续时间)随水温的升高而增加；电控单元(ECU或ECM)通过曲轴位置传感器或其它相位传感器感知和计算各缸所处的冲程、活塞位置、运动方向和发动机转速；在燃烧(做功)冲程，发动机点火(参见图2)后，曲轴转角达到一定角度时，水嘴根据电控单元(ECU或ECM)的指令喷水(参见图3)，喷水量根据喷油量按比例确定，并根据排气温度调整；水在高温下瞬时汽化，增大缸压辅助做功，同时降低气缸温度(参见图4)；由于喷入缸内的高压水温度处于亚临界状态，在缸内压力条件下，水温远高于水的沸点瞬时汽化，提高气缸爆发压力，在不增加喷油量的前提下，提高输出扭矩和功率。
本实用新型不限于上述实施例，本实用新型内容所述均可实施并具有所述良好效果。

Claims (6)

1、一种亚临界蒸汽辅助做功汽油机，包括：一个汽油机缸内喷水装置；该汽油机缸内喷水装置包括水箱，电控单元，与电控单元电连接并由电控单元控制的水泵、水轨、喷水嘴和温度传感器；其特征是：
所述水泵为低压水泵(7)和将水加压至200bar以上的高压水泵(6)；
所述低压水泵(7)置于水箱(8)内，低压水泵(7)的进水口与水箱(8)相连通、出水口通过水管与高压水泵(6)的进水口相连通，高压水泵(6)的出水口通过高压水管(4)与水轨(1)的进水口连通；
所述喷水嘴(2)通过水管与水轨(1)的出水口相连通，喷水嘴(2)的喷水口伸入汽油机燃烧室内；
还包括：一个将水加热至250℃以上但不超过374.2℃的汽油机的排气管(18)，所述高压水管(4)穿过该排气管(18)后再与水轨(1)的进水口连通。
2、按权利要求1所述的亚临界蒸汽辅助做功汽油机，其特征是：所述排气管(18)上还连通有汽油机的尾气净化器(5)。
3、按权利要求1或2所述的亚临界蒸汽辅助做功汽油机，其特征是：所述高压水管(4)中，穿过排气管(5)的一段高压水管(4)呈螺旋状。
4、按权利要求1或2所述的亚临界蒸汽辅助做功汽油机，其特征是：所述温度传感器(3)安装在排气管(18)末端的高压水管(4)上。
5、按权利要求3所述的亚临界蒸汽辅助做功汽油机，其特征是：所述温度传感器(3)安装在排气管(18)末端的高压水管(4)上。
6、按权利要求1或2所述的亚临界蒸汽辅助做功汽油机，其特征是：所述汽油机是四冲程汽油机。
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