CN220705807U - 一种缸内多次喷水的汽油发动机结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种缸内多次喷水的汽油发动机结构，该结构包括发动机缸体(1)，该发动机缸体(1)上设有进气歧管(2)、排气歧管(3)、火花塞(4)、喷油器(6)和喷水机构，该喷水机构连接控制器(9)，所述发动机缸体(1)内设有活塞(11)，所述发动机缸体(1)设有缸压传感器和水温传感器，通过设置在发动机内的传感器，检测发动机运行状态，可以灵活地控制喷水量、喷水间隔和喷水时刻，通过调节喷水参数，使喷水量与发动机的负荷相适配，进而提高发动机的热效率。与现有技术相比，本实用新型采用多次喷水的策略减小喷水贯穿距，加强喷水雾化效果，同时保证活塞顶部更好地覆盖液态水膜和水雾，有效起到隔热效果。
Description
技术领域
本实用新型属于内燃机技术领域，涉及一种缸内多次喷水的汽油发动机结构。
背景技术
随着能源和环境问题的日益严峻，为了降低油耗和排放，汽车发动机向着增压小型化方向发展。但是爆震也随之成为了制约发动机热效率的一大问题。目前，一般是通过推迟点火角或者加浓喷油来降低缸内温度的方法控制爆震。而汽油发动机的污染排放问题越来越紧迫，节能减排成为了汽油发动机的研究方向之一。
发动机直喷水技术用于在发动机工作过程中向缸内喷射循环水，对缸内部件和工质起到了一定的冷却作用，实现对燃烧过程的控制以抑制爆震，并可优化点火时刻，拓宽发动机的工作边界，提高发动机效率以及燃油经济性，此外，燃烧温度的降低还有利于减少氮氧化物的生成。
目前，普遍的缸内喷水多为单次喷水，容易导致雾化不完全的情况发生。同时喷水贯穿距过大，导致液态水撞击气缸壁，在气缸壁形成液态水膜，这部分水无法吸收足够的热量汽化成水蒸气，在发动机运行过程中液态水膜会不断增加，最终会以液态水形式与润滑油混合，造成油水混合等现象，影响发动机正常运行。另外，随着发动机提高热效率的需求，绝热活塞成为热点。普遍的缸内喷水雾化效果差，活塞顶部难以均匀分布一层液态水膜/水雾，在活塞运动过程中无法完全绝热，从而大幅降低发动机热效率。
专利CN108049990A公开了一种利用缸外喷水控制内燃机均质压燃的方法，包括内燃机机体、喷油器、进气道喷水器、喷水共轨、高压水泵和水箱，其中进气道喷水器连接至喷水共轨，喷水共轨中的喷水压力由低压水泵建立，低压水泵由12V或24V蓄电池供电进行驱动，内燃机均质压燃控制过程中所用水存储在水箱之中。但该专利采用的是缸外进气道喷水的策略，由于喷射压力较低无法保证喷入的液态水充分蒸发并进入燃烧室中；另外，该专利无法根据发动机运行情况精确控制喷水时刻和喷水质量，也无法保证活塞顶部均匀覆盖隔热水膜。
实用新型内容
本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的至少一种缺陷而提供一种缸内多次喷水的汽油发动机结构，本实用新型采用多次喷水的策略减小喷水贯穿距，加强喷水雾化效果，同时保证活塞顶部更好地覆盖液态水膜和水雾，有效起到隔热效果。
本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：
本实用新型的技术方案之一在于，提供一种缸内多次喷水的汽油发动机结构，包括发动机缸体，该发动机缸体上设有进气歧管、排气歧管、火花塞、喷油器和喷水机构，该喷水机构连接控制器，所述发动机缸体内设有活塞，所述发动机缸体设有缸压传感器和水温传感器，通过设置在发动机内的传感器，检测发动机运行状态，可以灵活地控制喷水量、喷水间隔和喷水时刻，通过调节喷水参数，使喷水量与发动机的负荷相适配，进而提高发动机的热效率。
进一步地，所述喷水机构包括依次连通的水箱、高压水泵单元和喷水器，该喷水器连接控制器，在控制器的控制下，所述水箱中的水经喷水器喷入发动机缸体内。
进一步地，所述高压水泵单元包括高压水泵，该高压水泵设于水箱与喷水器之间。
进一步地，所述高压水泵连接控制器，缸内喷水采用高压喷水，所述高压水泵最高加压压力为48MPa，可以减小喷水贯穿距，提高喷水雾化效果，同时，水雾可以均匀地覆盖活塞顶部，起到隔热效果。
进一步地，所述高压水泵单元包括喷水共轨，该喷水共轨设于高压水泵与喷水器之间，能够对水压进行控制，使水压处于合适的范围内，保证工作稳定性。
作为优选的技术方案，所述喷水共轨与喷水器通过高压水管连通。
进一步地，所述水箱内设有液位传感器，该液位传感器连接控制器，所述液位传感器实时监测水箱中的液位，判断剩余水量，并反馈至控制器，当水箱中的液位低于预设值时进行报警，避免出现水量不足的情况。
作为优选的技术方案，所述剩余水量预设值为10～15％。
进一步地，所述火花塞和喷油器连接控制器，通过控制器控制发动机火花塞点火和喷油。
本实用新型的工作原理包括以下步骤：
在发动机冷启动阶段，喷水器不对发动机缸体内喷水，防止缸内温度过低，导致熄火或排放污染物浓度过大；
当发动机进入稳定运行状态，缸内喷水机构开始工作，控制器实时采集发动机的转速、进气压力和温度数据，检测发动机的当前工况；
若发动机运行稳定，不发生爆震情况，则不进行喷水；
若发生爆震非正常运行的情况，则控制器自动计算所需要的喷水量和喷水时刻，然后向喷水器发出指令，使喷水器在相应时刻向发动机缸体内喷入相应量的水；喷水器在喷水时通常采用高压多次喷水的策略，即采用预喷射和主喷射的喷水策略，多次喷水策略可以有效减少喷水贯穿距，提高喷水雾化效果；控制器通过检测到的发动机运行参数(爆震强度)，实时调整多次喷水间隔和喷水量。
由于多次喷水策略提高了喷水雾化效果，当水雾均匀覆盖活塞顶部，形成一层液态水膜，随着液态水的蒸发，会吸收通过活塞传到的热量，从而在活塞顶部形成一层隔热层，起到类似绝热活塞的效果，同时保证液态水膜在活塞进行做功冲程期间逐步、完全地蒸发。
本实用新型的技术方案之一在于，提供一种喷水控制方法，该方法使用所述的结构控制喷水，所述方法包括以下步骤：
所述控制器检测发动机运行状态，确定是否需要进行喷水；
如不需要喷水，则重新检测下一循环发动机运行状态；
如需要喷水，所述控制器根据发动机运行状态(爆震强度)，包括发动机的转速、进气压力和温度参数，计算所需喷水量；
并进一步计算多次喷水中预喷射和主喷射的喷水量，以及喷水间隔；
由于需要将液态水膜和水雾均匀覆盖活塞顶部，因此需要根据发动机的转速，确定当前时刻活塞距离上止点的位置，精确计算喷水时刻；
所述控制器向喷水器发出指令，使喷水器向发动机缸体内喷水。
进一步地，所述喷水机构的喷水量总量与燃油量的质量比(水油比，W/F)为0.3～2.0，所述喷水机构的多次喷水中预喷射与主喷射的喷水量质量比为0.3～4.0。
进一步地，所述喷水机构的喷水间隔为30～90CA。
进一步地，所述喷水机构的喷水时刻为-180～-90CA。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
(1)本实用新型可以有效提升喷水的雾化效果，改善由于喷水贯穿距过大而导致的气缸缸壁湿壁，提高液态水吸热降温效果；
(2)本实用新型控制喷水时刻，保证活塞顶部能够覆盖液态水膜和水雾，利用液态水蒸发，起到隔热效果，减少传热损失，从而大幅提升发动机经济型与动力性。
附图说明
图1为本实用新型实施例中缸内多次喷水的汽油发动机结构的结构示意图；
图2为本实用新型实施例中液态水膜的形成示意图；
图3为本实用新型实施例中喷水控制方法的过程示意图。
图中标记说明：
1—发动机缸体、2—进气歧管、3—排气歧管、4—火花塞、5—喷水器、6—喷油器、7—高压水泵、8—水箱、9—控制器、10—喷水共轨、11—活塞。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等用来描述共同的对象，仅表示指代相同对象的不同实例，而并不是要暗示这样描述的对象必须采用给定的顺序，无论是时间地、空间地、排序地或任何其它方式。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
实施例：
一种缸内多次喷水的汽油发动机结构，如图1所示，包括发动机缸体1，发动机缸体1上设有进气歧管2、排气歧管3、火花塞4、喷油器6和喷水机构，喷水机构连接控制器9，发动机缸体1内设有活塞11；
控制器9采用电子控制器(发动机电子控制单元ECU)；
发动机缸体1设有缸压传感器和水温传感器，通过设置在发动机内的传感器，检测发动机运行状态；
喷水机构包括依次连通的水箱8、高压水泵单元和喷水器5，喷水器5连接控制器9，在控制器9的控制下，水箱8中的水经喷水器5喷入发动机缸体1内；
喷水器5设置在发动机缸体1壁上，可以灵活地控制喷水量、喷水间隔和喷水时刻，通过调节喷水参数，使喷水量与发动机的负荷相适配，进而提高发动机的热效率；
高压水泵单元包括高压水泵7，高压水泵7设于水箱8与喷水器5之间，高压水泵7连接控制器9，缸内喷水采用高压喷水，高压水泵7最高加压压力为48MPa，在本实施例中加压压力优选为35MPa，可以减小喷水贯穿距，提高喷水雾化效果，同时，水雾可以均匀地覆盖活塞11顶部，起到隔热效果；
高压水泵单元包括喷水共轨10，喷水共轨10设于高压水泵7与喷水器5之间，能够对水压进行控制，使水压处于合适的范围内，保证工作稳定性；
喷水共轨10与喷水器5通过高压水管连通；
水箱8内设有液位传感器，液位传感器连接控制器9，液位传感器实时监测水箱8中的液位，判断剩余水量，剩余水量预设值为10～15％，在本实施例中优选为15％，并反馈至控制器9，当水箱8中的液位低于预设值时进行报警，避免出现水量不足的情况；
火花塞4和喷油器6连接控制器9，通过控制器9控制发动机火花塞4点火和喷油。
一种缸内多次喷水的汽油发动机结构的工作原理，具体步骤如下：
在发动机冷启动阶段，喷水器5不对发动机缸体1内喷水，防止缸内温度过低，导致熄火或排放污染物浓度过大；
当发动机进入稳定运行状态，缸内喷水机构开始工作，控制器9实时采集发动机的转速、进气压力和温度数据，检测发动机的当前工况；
若发动机运行稳定，不发生爆震情况，则不进行喷水；
若发生爆震非正常运行的情况，则控制器9自动计算所需要的喷水量和喷水时刻，然后向喷水器5发出指令，使喷水器5在相应时刻向发动机缸体1内喷入相应量的水；喷水器5在喷水时通常采用高压多次喷水的策略，即采用预喷射和主喷射的喷水策略，多次喷水策略可以有效减少喷水贯穿距，提高喷水雾化效果；控制器9通过检测到的发动机运行参数(爆震强度)，实时调整多次喷水间隔和喷水量。
如图2所示，由于多次喷水策略提高了喷水雾化效果，当水雾均匀覆盖活塞11顶部，形成一层液态水膜，随着液态水的蒸发，会吸收通过活塞11传到的热量，从而在活塞11顶部形成一层隔热层，起到类似绝热活塞的效果，同时保证液态水膜在活塞11进行做功冲程期间逐步、完全地蒸发。
一种喷水控制方法，使用上述的结构控制喷水，如图3所示，具体步骤如下：
控制器9检测发动机运行状态，确定是否需要进行喷水；
如不需要喷水，则重新检测下一循环发动机运行状态；
如需要喷水，控制器9根据发动机运行状态(爆震强度)，包括发动机的转速、进气压力和温度参数，计算所需喷水量；
并进一步计算多次喷水中预喷射和主喷射的喷水量，以及喷水间隔；
由于需要将液态水膜和水雾均匀覆盖活塞11顶部，因此需要根据发动机的转速，确定当前时刻活塞11距离上止点的位置，精确计算喷水时刻；
控制器9向喷水器5发出指令，使喷水器5向发动机缸体1内喷水。
对于喷水量，通常喷水量总量与燃油量的质量比(水油比，W/F)控制在0.3～2.0之间，在本实施例中优选为1.0。本实施例中的喷水策略是通过检测发动机缸体1内是否发生爆震，从而确定是否喷水；如果不发生爆震，那么停止喷水；若发生爆震，则需要喷水。在需要喷水的循环中，控制器9会根据爆震强度，对喷水量进行实时调整。喷水量和喷水时刻等实时调整的参数是在发动机开发过程中进行多次实验所获得，并编制成为map，写入控制器9中。在发动机实际运行中，根据不同的工况和不同的爆震情况，控制器9从map中读取相关参数即可。
对于喷水间隔，在发动机的转速较低时，活塞11的运动速度也较低，此时蒸发时间比较充足，同时在喷水量较小的情况下，可以采用单次喷射的策略；当发动机的转速提高或者喷水量较大的情况下，那么此时就需要采用二次喷射的策略。二次喷射的策略主要是为了减小液态水雾化不充分，避免液滴撞壁以及无法完全汽化的情况，改善气缸湿壁、润滑油稀释等一系列问题。那么此时，喷水间隔需要根据发动机的转速，以及所确定的喷水量，进行实时调整。喷水间隔为30～90CA，在本实施例中优选为30CA。
预喷射与主喷射的喷水量质量比为0.3～4.0，如果发动机的转速越高，那么预喷射的喷水量需要多一些，主喷射的喷水量少一些，例如，预喷射的喷水量是总质量的80％，主喷射的喷水量是总质量的20％。
关于活塞11顶部分布水膜，由于喷水器5的喷水贯穿距与喷雾锥角随着喷水间隔的变化有大量研究结果可以参考，因此无论一次喷水策略还是二次喷水策略，开始喷射的时刻可以根据活塞11位置确定，而活塞11位置是喷水贯穿距最大距离的位置，在此时喷射可以保证活塞11顶部均匀分布水膜。一般来说，喷水时刻会控制在压缩冲程的中前段(压缩冲程中，活塞11上行)，即-180～-90CA，在本实施例中优选为-180CA，主要是为了确保喷水时，燃烧室有足够的空间包络喷水贯穿距与水雾扩散，同时保证液态水的充分吸热蒸发。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用实用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于上述实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型范畴所做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种缸内多次喷水的汽油发动机结构，其特征在于，包括发动机缸体(1)，该发动机缸体(1)上设有进气歧管(2)、排气歧管(3)、火花塞(4)、喷油器(6)和喷水机构，该喷水机构连接控制器(9)，所述发动机缸体(1)内设有活塞(11)，所述发动机缸体(1)设有缸压传感器和水温传感器。
2.根据权利要求1所述的一种缸内多次喷水的汽油发动机结构，其特征在于，所述喷水机构包括依次连通的水箱(8)、高压水泵单元和喷水器(5)，该喷水器(5)连接控制器(9)。
3.根据权利要求2所述的一种缸内多次喷水的汽油发动机结构，其特征在于，所述高压水泵单元包括高压水泵(7)，该高压水泵(7)设于水箱(8)与喷水器(5)之间。
4.根据权利要求3所述的一种缸内多次喷水的汽油发动机结构，其特征在于，所述高压水泵(7)连接控制器(9)，所述高压水泵(7)最高加压压力为48MPa。
5.根据权利要求3所述的一种缸内多次喷水的汽油发动机结构，其特征在于，所述高压水泵单元包括喷水共轨(10)，该喷水共轨(10)设于高压水泵(7)与喷水器(5)之间。
6.根据权利要求2所述的一种缸内多次喷水的汽油发动机结构，其特征在于，所述水箱(8)内设有液位传感器，该液位传感器连接控制器(9)。
7.根据权利要求1所述的一种缸内多次喷水的汽油发动机结构，其特征在于，所述火花塞(4)和喷油器(6)连接控制器(9)。
8.根据权利要求1所述的一种缸内多次喷水的汽油发动机结构，其特征在于，所述喷水机构的喷水量总量与燃油量的质量比为0.3～2.0，所述喷水机构的多次喷水中预喷射与主喷射的喷水量质量比为0.3～4.0。
9.根据权利要求1所述的一种缸内多次喷水的汽油发动机结构，其特征在于，所述喷水机构的喷水间隔为30～90CA。
10.根据权利要求1所述的一种缸内多次喷水的汽油发动机结构，其特征在于，所述喷水机构的喷水时刻为-180～-90CA。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |