一种缸内多次喷水的汽油发动机结构

本技术属于内燃机，涉及一种缸内多次喷水的汽油发动机结构。

背景技术：

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

技术实现思路

1、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。

2、本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、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。

4、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。

5、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。

6、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。

7、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。

8、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。

9、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。

10、作为优选的技术方案，所述剩余水量预设值为10～15％。

11、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。

12、本实用新型的工作原理包括以下步骤：

13、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；

14、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；

15、若发动机运行稳定，不发生爆震情况，则不进行喷水；

16、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。

17、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。

18、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：

19、所述控制器检测发动机运行状态，确定是否需要进行喷水；

20、如不需要喷水，则重新检测下一循环发动机运行状态；

21、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；

22、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；

23、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；

24、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。

25、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。

26、进一步地，所述喷水机构的喷水间隔为30～90ca。

27、进一步地，所述喷水机构的喷水时刻为-180～-90ca。

28、与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

29、(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；

30、(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。

技术特征：

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。

技术总结
本技术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，本技术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。

技术研发人员：商权波,卢野,邓俊,管俊,李理光
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：20230824
技术公布日：2024/4/7