一種缸內噴射過熱水的內燃機結構的製作方法

2023-05-01 05:55:51

本發明屬於內燃機技術領域，尤其是涉及一種缸內噴射過熱水的內燃機結構。

背景技術：

機動車的能源消耗問題受到廣泛關注，二氧化碳與油耗的排放標準也愈發嚴格。為了進一步提高機動車工作效率，降低能源消耗，目前提出了內燃機增壓與小型化技術，在使用更高的進氣壓力後，可以在不損失功率與扭矩輸出的情況下降低汽缸容積，從而降低燃油消耗量，小排量增壓內燃機憑藉這一優勢，呈現出取代自然吸氣內燃機成為機動車主流動力源的趨勢。

但小排量增壓內燃機的熱效率受到爆震及早燃現象的限制，為了充分利用小排量增壓內燃機的潛力，缸內噴水技術應運而生，其特點在於利用向缸內噴入冷水吸收熱量，從而降低缸內壓縮終了溫度，從而避免爆震及早燃現象，可以進一步提高諸如增壓壓力和壓縮比在內的內燃機參數，改善熱效率表現。缸內噴水技術得到了學術界與工業界的廣泛關注，如德國寶馬汽車集團、德國博世集團、韓國現代汽車集團及德國FEV內燃機諮詢公司在內的多家研究機構都開始對缸內噴水技術進行優化研究。

與此同時，氣缸排出的尾氣大約帶走了氣缸三分之一的熱量，目前缸內噴入冷水可以降低缸內壓縮終了溫度，避免爆震及早燃現象，但依然沒有解決缸內尾氣熱量的大量損耗問題，氣缸尾氣排出浪費了很多能耗，限制了內燃機熱效率的提高。

技術實現要素：

本發明的目的就是為了解決上述問題而提供一種提高內燃機熱效率的缸內噴射過熱水的內燃機結構。

本發明的目的通過以下技術方案實現：

一種缸內噴射過熱水的內燃機結構，包括內燃機缸體，所述的內燃機缸體設有節氣門、噴油器、火花塞和噴水噴嘴，該結構還包括冷凝器、換熱器、三通電磁閥、高壓水軌和電子控制單元，所述的冷凝器連接在內燃機缸體的排氣輸出端，冷凝器輸出端連接換熱器的輸入端以及三通電磁閥的第一輸入端，換熱器的輸出端連接三通電磁閥的第二輸入端，三通電磁閥的輸出端連接高壓水軌，高壓水軌連接噴水噴嘴，所述的節氣門、噴油器、火花塞、噴水噴嘴以及三通電磁閥均連接電子控制單元，工作時，所述的冷凝器將內燃機缸體排氣中的水蒸氣冷凝回收，輸送到換熱器與高溫排氣換熱，換熱後的過熱水通過三通電磁閥保存在高壓水軌中，最後經噴水噴嘴噴入內燃機缸體內。

所述的冷凝器與換熱器之間設有高壓水泵，高壓水泵將冷凝器的出水加壓至15-25MPa輸送到換熱器。

所述的高壓水軌設有熱電偶和軌壓傳感器，內燃機缸體內設有壓力傳感器，所述的熱電偶、軌壓傳感器和壓力傳感器連接電子控制單元。

所述的電子控制單元設有根據目標噴水溫度控制三通電磁閥開閉的控制程序。

所述控制程序中的目標噴水溫度按公式Ttarget＝-0.0078P4+0.3173P3-4.9057P2+41.769P+144.33計算，公式中Ttarget表示目標噴水溫度，P表示缸內壓力，由壓力傳感器測得。

由熱力學第一定律可得，在已知缸內壓力及容積的情況，可以通過理想氣體方程PV＝nRT計算得到缸內溫度，而後通過水及水蒸氣焓值表格，建立擬合方程Ttarget＝-0.0078P4+0.3173P3-4.9057P2+41.769P+144.33，該模型植入電子控制單元中，用於實時對高壓水軌的水溫與目標水溫進行比對，加熱能量來自於內燃機的高溫尾氣，加熱後的高壓水通過電磁三通閥進入高壓水軌中保存，高壓水軌中的水溫及壓力分別由熱電偶和軌壓傳感器測得，電子控制單元在獲取當前溫度與壓力後，產生脈衝寬度調製(PWM)控制信號控制三通電磁閥的開閉，三通電磁閥連接冷凝水管路，可以控制常溫水在高壓水軌中的比重，從而實現對隔熱高壓水軌中水溫的調節。為了保證缸內噴射工質處於過熱狀態，採用壓力傳感器對缸內燃燒過程壓力進行實時採集，並通過電子控制單元中建立的控制模型實時獲取不同工況下的目標噴水溫度。

與現有技術相比，本發明維持噴水溫度時刻處於過熱狀態，將高溫高壓水噴入缸內，過熱水閃急沸騰，迅速蒸發為高溫高壓蒸汽，增加做功工質，並充分吸收缸內燃燒放熱，繼而推動活塞做功，提高內燃機熱效率；與此同時，噴入缸內的過熱水迅速增發的能力可以有效避免機油稀釋的問題，改善缸內噴水內燃機的使用壽命，避免爆震、早燃，而加熱水的熱量來自於換熱器對尾氣能量進行回收，實現燃燒過程中的做功工質增加，達到循環利用，減少熱量的損失，提高了內燃機的熱效率。

附圖說明

圖1為本發明缸內噴射過熱水的內燃機結構示意圖；

圖2為本發明的控制流程圖；

圖3為本發明缸內壓力與目標噴水溫度的對應關係圖；

圖中：1-節氣門；2-噴油器；3-壓力傳感器；4-火花塞；5-噴水噴嘴；6-熱電偶；7-軌壓傳感器；8-高壓水軌；9-三通電磁閥；10-電子控制單元；11-換熱器；12-冷凝器；13-高壓水泵；14-內燃機缸體。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。

實施例1

參照圖1，一種缸內噴射過熱水的內燃機結構，包括節氣門1、噴油器2、壓力傳感器3、火花塞4、噴水噴嘴5、熱電偶6、軌壓傳感器7、高壓水軌8、三通電磁閥9、電子控制單元10、換熱器11、冷凝器12、高壓水泵13、內燃機缸體14，冷凝器12連接在內燃機缸體的排氣輸出端，冷凝器12輸出端連接換熱器11的輸入端以及三通電磁閥9的第一輸入端，換熱器11的輸出端連接三通電磁閥9的第二輸入端，三通電磁閥9的輸出端連接高壓水軌8，高壓水軌8連接噴水噴嘴5，冷凝器12將廢氣中的水蒸氣冷凝為液態水進行回收，並通過高壓水泵13加壓至15-25MPa後傳輸至換熱器11中進行加熱，其加熱能量來自於內燃機的高溫尾氣，加熱後的高壓水通過電磁三通閥9進入隔熱高壓水軌8中保存，高壓水軌8中的溫度及壓力由熱電偶6和軌壓傳感器7採集，採集溫度後，在電子控制單元10中通過與目標噴水溫度對比後，實時控制三通電磁閥的開閉，以控制隔熱高壓水軌8中高溫高壓水的溫度。維持噴水溫度的主要目的在於對不同內燃機工況下的燃燒過程中，將時刻處於過熱狀態的高溫高壓水噴入缸內，過熱水閃急沸騰，迅速蒸發為高溫高壓蒸汽，增加做功工質，並充分吸收缸內燃燒放熱，繼而推動活塞做功，提高內燃機熱效率；與此同時，噴入缸內的過熱水迅速增發的能力可以有效避免機油稀釋的問題，改善缸內噴水內燃機的使用壽命，通過廢熱回收與缸內過熱水噴射顯著提高內燃機熱效率。

圖2基於缸內實時壓力確定目標噴水溫度的控制流程圖，壓力傳感器感應到缸內壓力，通過電子控制單元計算目標溫度Ttarget＝-0.0078P4+0.3173P3-4.9057P2+41.769P+144.33，目標溫度與高壓水軌中過熱水的實際溫度進行比較，若實際溫度Trail小於目標溫度，則電磁閥第一輸入端關閉，若實際溫度大於目標溫度，則電磁閥第一輸入端打開，注入冷凝水，其中擬合方程Ttarget＝-0.0078P4+0.3173P3-4.9057P2+41.769P+144.33由圖3中的目標水溫與缸內壓力信號關係圖獲得，該模型被植入電子控制單元10中，用於實時對高壓水軌8中的水溫與目標溫度進行比對，從而產生PWM控制信號控制三通電磁閥9的開閉，三通電磁閥9的連接至冷凝水管路，可以控制常溫水在隔熱高壓水軌8中的比重，從而實現對隔熱高壓水軌8中水溫的調節。

上述的對實施例的描述是為便於該技術領域的普通技術人員能理解和應用本發明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對該實施例做出各種修改，並把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經過創造性的勞動。因此，本發明不限於這裡的實施例，本領域技術人員根據本發明的揭示，不脫離本發明範疇所做出的改進和修改都應該在本發明的保護範圍之內。