本發(fā)明屬于內(nèi)燃機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種缸內(nèi)噴射過熱水的內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

機(jī)動(dòng)車的能源消耗問題受到廣泛關(guān)注，二氧化碳與油耗的排放標(biāo)準(zhǔn)也愈發(fā)嚴(yán)格。為了進(jìn)一步提高機(jī)動(dòng)車工作效率，降低能源消耗，目前提出了內(nèi)燃機(jī)增壓與小型化技術(shù)，在使用更高的進(jìn)氣壓力后，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(nèi)燃機(jī)憑借這一優(yōu)勢(shì)，呈現(xiàn)出取代自然吸氣內(nèi)燃機(jī)成為機(jī)動(dòng)車主流動(dòng)力源的趨勢(shì)。

但小排量增壓內(nèi)燃機(jī)的熱效率受到爆震及早燃現(xiàn)象的限制，為了充分利用小排量增壓內(nèi)燃機(jī)的潛力，缸內(nèi)噴水技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其特點(diǎn)在于利用向缸內(nèi)噴入冷水吸收熱量，從而降低缸內(nèi)壓縮終了溫度，從而避免爆震及早燃現(xiàn)象，可以進(jìn)一步提高諸如增壓壓力和壓縮比在內(nèi)的內(nèi)燃機(jī)參數(shù)，改善熱效率表現(xiàn)。缸內(nèi)噴水技術(shù)得到了學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的廣泛關(guān)注，如德國(guó)寶馬汽車集團(tuán)、德國(guó)博世集團(tuán)、韓國(guó)現(xiàn)代汽車集團(tuán)及德國(guó)FEV內(nèi)燃機(jī)咨詢公司在內(nèi)的多家研究機(jī)構(gòu)都開始對(duì)缸內(nèi)噴水技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究。

與此同時(shí)，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(nèi)噴入冷水可以降低缸內(nèi)壓縮終了溫度，避免爆震及早燃現(xiàn)象，但依然沒有解決缸內(nèi)尾氣熱量的大量損耗問題，氣缸尾氣排出浪費(fèi)了很多能耗，限制了內(nèi)燃機(jī)熱效率的提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了解決上述問題而提供一種提高內(nèi)燃機(jī)熱效率的缸內(nèi)噴射過熱水的內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種缸內(nèi)噴射過熱水的內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)燃機(jī)缸體，所述的內(nèi)燃機(jī)缸體設(shè)有節(jié)氣門、噴油器、火花塞和噴水噴嘴，該結(jié)構(gòu)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(nèi)燃機(jī)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(jié)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(shí)，所述的冷凝器將內(nèi)燃機(jī)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，換熱后的過熱水通過三通電磁閥保存在高壓水軌中，最后經(jīng)噴水噴嘴噴入內(nèi)燃機(jī)缸體內(nèi)。

所述的冷凝器與換熱器之間設(shè)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(shè)有熱電偶和軌壓傳感器，內(nèi)燃機(jī)缸體內(nèi)設(shè)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(shè)有根據(jù)目標(biāo)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(biāo)噴水溫度按公式T_target＝-0.0078P⁴+0.3173P³-4.9057P²+41.769P+144.33計(jì)算，公式中T_target表示目標(biāo)噴水溫度，P表示缸內(nèi)壓力，由壓力傳感器測(cè)得。

由熱力學(xué)第一定律可得，在已知缸內(nèi)壓力及容積的情況，可以通過理想氣體方程PV＝nRT計(jì)算得到缸內(nèi)溫度，而后通過水及水蒸氣焓值表格，建立擬合方程T_target＝-0.0078P⁴+0.3173P³-4.9057P²+41.769P+144.33，該模型植入電子控制單元中，用于實(shí)時(shí)對(duì)高壓水軌的水溫與目標(biāo)水溫進(jìn)行比對(duì)，加熱能量來自于內(nèi)燃機(jī)的高溫尾氣，加熱后的高壓水通過電磁三通閥進(jìn)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(cè)得，電子控制單元在獲取當(dāng)前溫度與壓力后，產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制信號(hào)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(shí)現(xiàn)對(duì)隔熱高壓水軌中水溫的調(diào)節(jié)。為了保證缸內(nèi)噴射工質(zhì)處于過熱狀態(tài)，采用壓力傳感器對(duì)缸內(nèi)燃燒過程壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并通過電子控制單元中建立的控制模型實(shí)時(shí)獲取不同工況下的目標(biāo)噴水溫度。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明維持噴水溫度時(shí)刻處于過熱狀態(tài)，將高溫高壓水噴入缸內(nèi)，過熱水閃急沸騰，迅速蒸發(fā)為高溫高壓蒸汽，增加做功工質(zhì)，并充分吸收缸內(nèi)燃燒放熱，繼而推動(dòng)活塞做功，提高內(nèi)燃機(jī)熱效率；與此同時(shí)，噴入缸內(nèi)的過熱水迅速增發(fā)的能力可以有效避免機(jī)油稀釋的問題，改善缸內(nèi)噴水內(nèi)燃機(jī)的使用壽命，避免爆震、早燃，而加熱水的熱量來自于換熱器對(duì)尾氣能量進(jìn)行回收，實(shí)現(xiàn)燃燒過程中的做功工質(zhì)增加，達(dá)到循環(huán)利用，減少熱量的損失，提高了內(nèi)燃機(jī)的熱效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明缸內(nèi)噴射過熱水的內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的控制流程圖；

圖3為本發(fā)明缸內(nèi)壓力與目標(biāo)噴水溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖；

圖中：1-節(jié)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(nèi)燃機(jī)缸體。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

實(shí)施例1

參照?qǐng)D1，一種缸內(nèi)噴射過熱水的內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)，包括節(jié)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(nèi)燃機(jī)缸體14，冷凝器12連接在內(nèi)燃機(jī)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(tài)水進(jìn)行回收，并通過高壓水泵13加壓至15-25MPa后傳輸至換熱器11中進(jìn)行加熱，其加熱能量來自于內(nèi)燃機(jī)的高溫尾氣，加熱后的高壓水通過電磁三通閥9進(jìn)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采集，采集溫度后，在電子控制單元10中通過與目標(biāo)噴水溫度對(duì)比后，實(shí)時(shí)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于對(duì)不同內(nèi)燃機(jī)工況下的燃燒過程中，將時(shí)刻處于過熱狀態(tài)的高溫高壓水噴入缸內(nèi)，過熱水閃急沸騰，迅速蒸發(fā)為高溫高壓蒸汽，增加做功工質(zhì)，并充分吸收缸內(nèi)燃燒放熱，繼而推動(dòng)活塞做功，提高內(nèi)燃機(jī)熱效率；與此同時(shí)，噴入缸內(nèi)的過熱水迅速增發(fā)的能力可以有效避免機(jī)油稀釋的問題，改善缸內(nèi)噴水內(nèi)燃機(jī)的使用壽命，通過廢熱回收與缸內(nèi)過熱水噴射顯著提高內(nèi)燃機(jī)熱效率。

圖2基于缸內(nèi)實(shí)時(shí)壓力確定目標(biāo)噴水溫度的控制流程圖，壓力傳感器感應(yīng)到缸內(nèi)壓力，通過電子控制單元計(jì)算目標(biāo)溫度T_target＝-0.0078P⁴+0.3173P³-4.9057P²+41.769P+144.33，目標(biāo)溫度與高壓水軌中過熱水的實(shí)際溫度進(jìn)行比較，若實(shí)際溫度T_rail小于目標(biāo)溫度，則電磁閥第一輸入端關(guān)閉，若實(shí)際溫度大于目標(biāo)溫度，則電磁閥第一輸入端打開，注入冷凝水，其中擬合方程T_target＝-0.0078P⁴+0.3173P³-4.9057P²+41.769P+144.33由圖3中的目標(biāo)水溫與缸內(nèi)壓力信號(hào)關(guān)系圖獲得，該模型被植入電子控制單元10中，用于實(shí)時(shí)對(duì)高壓水軌8中的水溫與目標(biāo)溫度進(jìn)行比對(duì)，從而產(chǎn)生PWM控制信號(hào)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(shí)現(xiàn)對(duì)隔熱高壓水軌8中水溫的調(diào)節(jié)。

上述的對(duì)實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對(duì)該實(shí)施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于這里的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。