专利名称：发动机进气管喷水系统的制作方法
技术领域：
本发明属于内燃机结构，具体涉及一种发动机进气管路的喷水系统。
背景技术：
近年来，对汽车尾气污染物排放量限定的标准不断提高，各国竞相开展了降低氮氧化合物及碳烟排放控制技术方面的研究。其中包括对燃烧室内掺水以降低燃烧温度方法的研究，例如水乳化燃料，燃烧室内喷水，进气管喷水等。实验表明对部分发动机高负荷工况，在燃烧室内适当的掺入水分，可以有效吸收缸内的热量，降低燃烧温度，同时水蒸气可以稀释局部过浓的氧气。高温和高氧浓度是生成NOx主要条件，通过适当掺水可以遏制不良条件的产生；而局部燃料的富聚、高温以及缺氧则是形成碳烟的条件，通过水蒸气高比热容吸热，降低燃烧温度同样可以达到控制碳烟生成的目的。由此可见，在燃烧室内掺入部分水分，可以同时对NOx和碳烟都起到一定的控制作用，实现低污染物排放的低温燃烧。而在燃烧室内加水的不同方案中各有优劣。水乳化燃料的技术，是通过将水与发动机的燃料混合乳化后，通过发动机的供油系统送入气缸参与燃烧。其优点是对发动机本身结构改动较小，掺水量可以通过水乳化比率进行调节，技术难度较小。但是其缺点是1.水乳化燃料的相分离问题一直无法解决，乳化燃料随着存放时间的推移，容易出现浑浊、破乳等问题。2.乳化剂成本较高，大规模使用经济性差。3.水乳化燃料对发动机燃料供给系统及供油系统有一定的腐蚀性，并且在燃用高比率水乳化燃料时会引起高压油泵或者是喷油器针阀的润滑不良。4.水的掺入要占用原本燃料的通道，影响发动机的功率密度。缸内直接喷水技术，通过类似喷油喷嘴对缸内直喷。优点是供水时刻、供水量可以随发动机工况及时调整，供水效果良好，能够通过供水策略的实时调整将水分在缸内的效率发挥到最大。但是其缺点是1.对发动机结构改动难度较大，对喷水设备的要求很高， 尚需增加发动机电控单元类似的一套系统，结构复杂，成本过高。进气管喷水的技术，在进气管内设置水雾化喷嘴，随进气向燃烧室内供水。优点是对发动机本身结构改动相对较小，不占用供油份额，对发动机燃油供给系统无额外要求。但缺点是1.加水雾化及燃烧温度等如果控制不好效果较差。2.如果优化不好则有可能对发动机进气产生影响。综上所述可以看出，采用进气管喷水对发动机本身结构改动相对较小，因为不与燃料相混合，所以不存在乳化剂特有的缺陷以及乳化燃料稳定性等问题。国内外对进气管喷水燃烧有许多实验研究，然而对不同型号发动机及其不同工况，在燃烧室内可添加的水分含量是不相同的，需要根据具体情况制定供水策略并进行相应的优化。关键是要解决进气管喷水结构优化、供水策略的匹配问题，尤其是提高掺水雾化与蒸发，使水蒸气与进气充分混合，避免水滴在进气管内壁面的汇聚等。这些问题如能解决，采用进气管喷水达到的效果显然优于其他两种方式。
发明内容
本发明的目的在于提供一种发动机进气管喷水系统，实现对发动机燃烧室掺水量可控制，能够根据不同的发动机工况采用不同的掺水策略，保证发动机在重载大负荷时的低温燃烧和低NOx、碳烟排放。解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的发动机进气管喷水系统，包括内凸式蒸发带、格栅式液滴蒸发器、进气温度传感器、电磁高压水雾化喷嘴、进气流量传感器、高压水泵、储水箱、压气机、主控芯片、手/自切换开关、冷却水温度传感器、功率传感器、燃油消耗传感器、排气温度传感器、转速传感器等。通往燃烧室的每个进气歧管内设有凸式蒸发带，进气道总管依次设有格栅式液滴蒸发器、进气温度传感器、电磁高压水雾化喷嘴和进气流量传感器。电磁高压水雾化喷嘴依次串接高压水泵和储水箱。进气道总管进口端设有压气机。进气管喷水电控子系统中的主控芯片通过线束分别接至电磁高压水雾化喷嘴、进气温度传感器、格栅式液滴蒸发器、高压水泵、进气流量传感器手/自动喷水切换开关、冷却水温度传感器、功率传感器、燃油消耗传感器、排气温度传感器、转速传感器以及每个凸式蒸发带中的继电器。其中由主控芯片、高压水泵、电磁高压水雾化喷嘴、手/自切换开关以及相应的线束控制电路构成进气管喷水电控子系统以及喷射子系统。该系统可以根据供水策略调节高压水泵，不需要喷水的时高压水泵关闭，节约发动机功率。该供水策略以程序代码形式储存于主控芯片MCU内的Flash 存储器内，根据I/O 口接受到的信号进行反馈控制。由主控芯片控制电磁高压水雾化喷嘴的喷射时机和喷射量，使不同的工况都能得到较好的喷水量；水雾化喷嘴的安装位置紧靠于压气机的后端，经过增压后的高压、高速气体与水雾相撞，不但降低了气体温度，还保证了水雾的雾化效果。本发明的原理依据为Ν0χ是发动机的两种主要排气污染物之一。在不断的提升发动机热效率的情况下，发动机缸内的燃烧温度不断攀升，而作为对发动机产生的NOx形成贡献最大的热力型NOx其生产的三个基本条件为高温、富氧以及一定的反应时间。在这三个条件内，反应时间是随发动机转速变化而变化，没有办法直接控制，而可以加以干预的就是燃烧时的高温和局部的富氧。通过进气管内掺水，水分进入燃烧室后将会吸收燃烧室内的高温，使得燃料燃烧时的化学反应温度下降，小水滴在吸热后会变为水蒸气，并随缸内的气体流动而与雾化的燃油及空气进行混合，这样的稀释作用有利于控制在局部出现氧气富集的现象，因此在燃烧室内适当掺入水分对于NOx的抑制有明显效果。发动机的碳烟形成条件为高温、局部缺氧及燃料的富集。在进气管内喷水，水分随空气进入燃烧室，不但可以抑制形成碳烟的高温，水蒸气还能对局部的燃料富集产生一定的稀释作用，因此在燃烧过程中掺入水分对碳烟的形成能起到明显的抑制作用。主控芯片通过各个传感器连接感知发动机运行的工况，并根据与各个不同工况相互匹配的MAP数据进行喷水策略的调控，MAP 数据储存于主控芯片的Flash存取器内。进气管喷水电控子系统可以通过手动/自动喷水切换开关实现进气道喷水的人工切换控制。本发明的优点和有益效果是，提出了在一套进气管供水设备上，实现发动机不同工况的供水量、供水策略及雾化程度可调，自动供水与人工手动切换可控。通过进气管喷水电控子系统控制高压水泵、电磁高压水雾化喷嘴实现了不同工况调节进气管喷水参数，并且可以随发动机进气管内进气流量和温度，自动控制格栅式液滴蒸发器、内凸式蒸发带的蒸发雾化策略。在尽量不提高进气温度的情况下保证进气管喷水的雾化与进气的混合良好，以达到进入燃烧室后的最佳温度控制效果。本发明可以全自动控制也可以手动切换，易于在现有发动机上改装，控制精度高，可随发动机工况适时调整进气管喷水策略。
所示附图为本发明结构及工作原理图。
具体实施例方式下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是叙述性的， 不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。本发明的系统连接为通往燃烧室的每个进气歧管内设有凸式蒸发带1，进气道总管2依次设有格栅式液滴蒸发器3、进气温度传感器4、电磁高压水雾化喷嘴5和进气流量传感器6 ；电磁高压水雾化喷嘴5依次串接高压水泵7和储水箱8 ；进气道总管进口端设有压气机9。进气管喷水电控子系统中的主控芯片10通过线束分别接至电磁高压水雾化喷嘴5、进气温度传感器4、格栅式液滴蒸发器3、高压水泵7、进气流量传感器6、手/自动喷水切换开关11、冷却水温度传感器12、功率传感器13、燃油消耗传感器14、排气温度传感器15、转速传感器16以及每个凸式蒸发带1中的继电器端。主控芯片的控制信号均连接至格栅式液滴蒸发器、内凸式蒸发带的继电器端，当控制信号传递至继电器后，继电器触发与蒸发器及蒸发带内的加热电阻与汽车电瓶的连接开关，实现蒸发器及蒸发带的加热切换控制。压气机2通过法兰接口与进气道总管2连接固定。手/自动喷水切换开关11安装于汽车驾驶室仪表板上。由主控芯片、进气流量传感器、格栅式液滴蒸发器、内凸式蒸发带、进气温度传感器，组成进气管喷水的雾化及蒸发系统。内凸式蒸发带1安装进入所述进气歧管后，内凸式蒸发带尾端所在之处的进气歧管直径缩减2mm。即在进气歧管的尽头(靠近发动机进气口的位置)设置一个小微缩段，长约5mm。目的是防止附着在进气歧管内壁面的水膜“爬”进发动机进气口，通过该炙热的微缩段对水膜层进行阻挡与延滞，使得水膜在爬过高2mm、长5mm的微缩段时，将水分再次蒸发，并随进气均勻的吸入发动机。格栅式液滴蒸发器3和内凸式蒸发带1的外周与管道间设有隔热耐温材料。可使它们在通电加热时不会将过多热量传递给进气管使进气管过热，因为进气管会将热量传递给空气，从而导致进气温度升高，进气的密度下降，进气充量下降，降低发动机充气效率进而对燃烧产生负面影响。电磁高压水雾化喷嘴5的安装位置距离压气机9出口(法兰接口处)5mm。空气经过压缩后，温度和流速都会急剧增加，此时高速气流与电磁高压水雾化喷嘴内喷出的水雾相撞，不但可以进一步增加水雾的破碎与雾化效果，气体内的较高温度同时会加热小液滴使其雾化彻底；另一方面，水雾会降低进气的温度，这样也就可以增加进气的密度，加大了发动机的进气充量，对发动机工作有促进作用。本实施例所用主控芯片采用16位MCU，S12X CPU，最高总线速度40MHz。进气管喷水电控子系统根据进气流量，喷水量及进气温度，判断并选择加热与雾化策略；在进气流量小，喷水量相对较大，进气温度偏低的情况下，将会使格栅式液滴蒸发器、内凸式蒸发带同时工作，并且将使其温度适当增加。在进气量大、喷水量不大，进气温度偏高的情况下，则关闭格栅式液滴蒸发器，只是打开内凸式蒸发带，并可根据不同的情况， 调节两个蒸发器的开闭及其工作温度。格栅式液滴蒸发器其功能是将水雾经过进气总管输运后，重新凝结的空间小液滴和在管壁上汇集，并随进气前行的薄液面重新蒸发雾化。位于进气歧管的内凸式蒸发带的功能是将经过数个大角度偏转后的湿空气在进气歧管内壁面汇集的液面重新蒸发，使得水分在进入燃烧室的时候更加均勻，雾化更好，并且保证不出现较大水滴，顺进气口滴落燃烧室对活塞及气门等高速运动部件造成损害。
权利要求
1.发动机进气管喷水系统，包括内凸式蒸发带、格栅式液滴蒸发器、进气温度传感器、 电磁高压水雾化喷嘴、进气流量传感器、高压水泵、储水箱、压气机、主控芯片、手/自切换开关、冷却水温度传感器、功率传感器、燃油消耗传感器、排气温度传感器、转速传感器，其特征在于通往燃烧室的每个进气歧管内设有凸式蒸发带(1)，进气道总管( 依次设有格栅式液滴蒸发器(3)、进气温度传感器G)、电磁高压水雾化喷嘴( 和进气流量传感器 (6)，电磁高压水雾化喷嘴( 依次串接高压水泵(7)和储水箱(8)，进气道总管进口端设有压气机(9)，进气管喷水电控子系统中的主控芯片(10)通过线束分别接至电磁高压水雾化喷嘴( 、进气温度传感器(4)、格栅式液滴蒸发器( 、高压水泵(7)、进气流量传感器 (6)手/自动喷水切换开关(11)、冷却水温度传感器(12)、功率传感器(13)、燃油消耗传感器(14)、排气温度传感器(15)、转速传感器(16)以及每个凸式蒸发带⑴中的继电器端。
2.根据权利要求1所述的发动机进气管喷水系统，其特征是所述压气机( 通过法兰接口与所述进气道总管( 连接固定。
3.根据权利要求1所述的发动机进气管喷水系统，其特征是所述内凸式蒸发带(1)安装进入所述进气歧管后，内凸式蒸发带尾端所在之处的进气歧管直径缩减2mm。
4.根据权利要求1或3所述的发动机进气管喷水系统，其特征是所述格栅式液滴蒸发器(3)和内凸式蒸发带(1)的外周与管道间设有隔热耐温材料。
5.根据权利要求1所述的发动机进气管喷水系统，其特征是所述电磁高压水雾化喷嘴 (5)的安装位置距离所述压气机(9)出口法兰5-10mm。
6.根据权利要求1所述的发动机进气管喷水系统，其特征是所述手/自动喷水切换开关(11)安装于汽车驾驶室仪表板上。
全文摘要
本发明公开了一种发动机进气管喷水系统。通往燃烧室的每个进气歧管内设有凸式蒸发带，进气道总管依次设有格栅式液滴蒸发器、进气温度传感器、电磁高压水雾化喷嘴和进气流量传感器。电磁高压水雾化喷嘴依次串接高压水泵和储水箱。进气道总管进口端设有压气机。进气管喷水电控子系统中的主控芯片通过线束分别接至上述部件，以及手/自动喷水切换开关、冷却水温度传感器、功率传感器、燃油消耗传感器、排气温度传感器、转速传感器等。在尽量不提高进气温度的情况下保证进气具有良好的水雾化，达到最佳温度控制效果。本发明可以全自动控制也可以手动切换，易于在现有发动机上改装，控制精度高，可随发动机工况适时调整进气管喷水策略。
文档编号F02M25/028GK102269081SQ20111023477
公开日2011年12月7日 申请日期2011年8月16日 优先权日2011年8月16日
发明者卫海桥, 张韦, 徐彪, 梁兴雨, 舒歌群 申请人:天津大学