CN108049987A - 一种缸外冷水缸内热水混合双喷射的天然气发动机结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种缸外冷水缸内热水混合双喷射的天然气发动机结构，包括天然气发动机机体、进气歧管及排气歧管、天然气喷射器、火花塞、设置在天然气发动机机体内的缸内喷水器、与缸内喷水器相连通的高压水泵单元、设置在进气歧管中的缸外喷水器、与缸外喷水器相连通的低压水泵单元、换热器、分别与天然气喷射器、火花塞、缸内喷水器、高压水泵单元、缸外喷水器及低压水泵单元电连接的电子控制器。与现有技术相比，本发明利用缸内喷入的热水迅速汽化，吸收热量，降低燃烧上止点附近缸内的温度，抑制爆震的产生，同时加热水的热量来自于换热器对尾气能量的回收，实现燃烧过程中的做功工质增加，减少热量的损失，提高天然气发动机的热效率。

Description

一种缸外冷水缸内热水混合双喷射的天然气发动机结构
技术领域
本发明属于内燃机技术领域，涉及一种缸外冷水缸内热水混合双喷射的天然气发动机结构。
背景技术
天然气是全球储量最大的清洁能源，具有资源丰富，排放污染低、价格低廉等优点，被认为是一种非常具有发展前景的燃料，很多人认为是继煤、是由之后的世界上第三大能源。近年来，随着水力压裂技术和水平钻井技术的发展与成熟，可开采的天然气储量迅速增长，将对我国的能源发展格局产生重要影响。由于燃烧后生成的CO2和PM很少，因此又被称为“清洁燃料”。
对于火花点火的天然气发动机而言，传统的稀燃模式气缸内的混合气体在燃烧时释放大量的热量，使气缸内的气体温度升高，压强增大，混合气体在高温高压且氧气含量较浓的情况下反应生成有害的氮氧化物(NOx)，同时气缸内气体在高温高压状态下容易发生爆震，抑制了发动机的性能。因此，近阶段技术路线朝向喷水技术方向发展，其特点在于利用缸内喷入的冷水吸收热量，从而降低温度，抑制低速大负荷时的爆震和超级爆震的产生，可以进一步提高诸如压缩比、点火提前角在内的内燃机参数，改善热效率。缸内喷水技术得到了学术界与工业界的广泛关注，如德国宝马汽车集团、德国博世集团、韩国现代汽车集团及日本丰田汽车集团在内的多家研究机构都开始对缸内喷水技术进行优化研究。但现有的天然气发动机存在技术瓶颈，易于发生爆震和产生一定量的氮氧化物，而且气缸排出的尾气大约带走了气缸三分之一的热量，限制了内燃机热效率、升功率的进一步提高。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可有效提高天然气发动机热效率、升功率，抑制爆震的缸外冷水缸内热水混合双喷射的天然气发动机结构。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种缸外冷水缸内热水混合双喷射的天然气发动机结构，该结构包括天然气发动机机体、设置在天然气发动机机体上的进气歧管及排气歧管、天然气喷射器、设置在天然气发动机机体内的火花塞、设置在天然气发动机机体内的缸内喷水器、与缸内喷水器相连通的高压水泵单元、设置在进气歧管中的缸外喷水器、与缸外喷水器相连通的低压水泵单元、设置在低压水泵单元与高压水泵单元之间的换热器、分别与天然气喷射器、火花塞、缸内喷水器、高压水泵单元、缸外喷水器及低压水泵单元电连接的电子控制器。
所述的排气歧管穿过换热器，该换热器吸收排气歧管中的尾气热量，对进入高压水泵单元的水进行加热。
所述的低压水泵单元包括水箱、设置在水箱中的低压水泵、与低压水泵相连通的低压水轨、将低压水轨、与缸外喷水器相连通的第一低压水管。
所述的缸外喷水器的进水口通过第一低压水管与低压水轨连接，缸外喷水器的回水口通过第二低压水管与低压水泵连接。
所述的低压水泵将水压加至0.3-1MPa再输送至低压水轨。
所述的高压水泵单元包括与低压水泵相连通的高压水泵、与高压水泵相连通的高压水轨、将高压水轨与缸内喷水器相连通的第一高压水管。
所述的缸内喷水器的进水口通过第一高压水管与高压水轨连接，缸内喷水器的回水口通过第二高压水管与高压水泵连接。
所述的高压水泵将水加压至35MPa后再输送至高压水轨。
所述的换热器的一端与高压水泵连接，另一端与设置在水箱中的低压水泵连接。
所述的天然气喷射器包括设置在天然气发动机机体内的缸内天然气喷射器或设置在进气歧管上的缸外天然气喷射器中的一种或两种；
所述的天然气发动机的曲轴上设有与电子控制器电连接的转速传感器；
所述的水箱内设有与电子控制器电连接的液位仪。
在工作状态下，所述的液位仪实时监测水箱中的液位，判断剩余水量，并即时反馈至电子控制器，当水箱中的液位低于预设值时，将进行报警，以提示需要补充水，避免出现储水不足的情况。
所述的高压水轨与低压水轨上均设有稳压阀，稳压阀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。
所述的稳压阀上设有溢流管，该溢流管上设有溢流阀，所述的溢流管与水箱内部相连通。对稳压阀设定一个恒定的压力后，输出的水压便不会变化，若稳压阀内水压过高，溢流阀开启，多余的水便经溢流管流回至水箱中，既能够起到快速稳定水压的作用，同时还能避免水的浪费。
所述的电子控制器根据存储的标定MAP图(发动机在各种工况下的点火、喷油、喷水等控制曲线图，称为MAP图)控制缸内、缸外的喷水量，内部设有缸内喷水量-转速图、缸外喷水量-转速图、缸内喷水量-扭矩图、缸内外喷水量-转速图。具体的控制策略以及信号触发的原理与天然气发动机的喷油控制原理相似。
在实际应用时，水箱内的低压水泵将一部分水输送至低压水轨中，并保存于低压水轨中，低压水轨通过低压水管将水输送至缸外喷水器；另一部分水经换热器加热，热水输送至高压水泵，随后高压水泵将热水加压输送至高压水轨中，并保存于高压水轨中，高压水轨通过高压水管将热水输送至缸内喷水器，电子控制器根据存储的标定MAP图控制喷入天然气发动机缸体内和进气歧管内的喷水量。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：
1)在缸内和进气歧管处设置两个喷水器，可以达到同时提高动力性、经济性和排放特性的目的；
2)利用缸内喷入的热水迅速汽化，吸收热量，既可以降低燃烧上止点附近缸内的温度，抑制低速大负荷时的爆震和超级爆震的产生，同时加热水的热量来自于换热器对尾气能量的回收，实现燃烧过程中的做功工质增加，达到循环利用，减少热量的损失，提高了天然气发动机的热效率，改善燃油经济性和排放特性；
3)在进气歧管冷喷水，用水的蒸发吸热，降低进入气缸的气体温度，增加进气密度，增加充量系数，由此提高天然气发动机升功率，改善动力性；
4)通过电子控制器对天然气发动机进行实时监测与控制，以调节喷水时刻及喷水量，并使喷水量与天然气发动机的具体工况相适配，进而提高天然气发动机的热效率、升功率，具有很好的应用前景。
附图说明
图1为本发明缸外冷水缸内热水混合双喷射的天然气发动机结构的整体结构示意图；
图中标记说明：
1-水箱；2-低压水泵；3-低压水轨；4-换热器；5-高压水泵；6-高压水轨；7-电子控制器；8-排气歧管；9-天然气发动机机体；10-缸内天然气喷射器；11-火花塞；12-缸内喷水器；13-进气歧管；14-缸外天然气喷射器；15-缸外喷水器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1：
如图1所示，一种缸外冷水缸内热水混合双喷射的天然气发动机结构，该结构包括天然气发动机机体9、设置在天然气发动机机体9上的进气歧管13及排气歧管8、天然气喷射器、设置在天然气发动机机体9内的火花塞11、设置在天然气发动机机体9内的缸内喷水器12、与缸内喷水器12相连通的高压水泵单元、设置在进气歧管13中的缸外喷水器15、与缸外喷水器15相连通的低压水泵单元、设置在低压水泵单元与高压水泵单元之间的换热器4、分别与天然气喷射器、火花塞11、缸内喷水器12、高压水泵单元、缸外喷水器15以及低压水泵单元电连接的电子控制器7。排气歧管8穿过换热器4，该换热器4吸收排气歧管8中的尾气热量，对进入高压水泵单元的水进行加热。换热器4的一端与高压水泵5连接，另一端与设置在水箱1中的低压水泵2连接。
其中，低压水泵单元包括水箱1、设置在水箱1中的低压水泵2、与低压水泵2相连通的低压水轨3、将低压水轨3、与缸外喷水器15相连通的第一低压水管。缸外喷水器15的进水口通过第一低压水管与低压水轨3连接，缸外喷水器15的回水口通过第二低压水管与低压水泵2连接。低压水泵2将水压加至0.3-1MPa再输送至低压水轨3。
高压水泵单元包括与低压水泵2相连通的高压水泵5、与高压水泵5相连通的高压水轨6、将高压水轨6与缸内喷水器12相连通的第一高压水管。缸内喷水器12的进水口通过第一高压水管与高压水轨6连接，缸内喷水器12的回水口通过第二高压水管与高压水泵5连接。高压水泵5将水加压至35MPa后再输送至高压水轨6。
本实施例中，天然气喷射器包括设置在天然气发动机机体9内的缸内天然气喷射器10以及设置在进气歧管13上的缸外天然气喷射器14；天然气发动机的曲轴上设有与电子控制器7电连接的转速传感器；水箱1内设有与电子控制器7电连接的液位仪。在工作状态下，液位仪实时监测水箱1中的液位，判断剩余水量，并即时反馈至电子控制器7，当水箱1中的液位低于预设值时，将进行报警，以提示需要补充水，避免出现储水不足的情况。
高压水轨6与低压水轨3上均设有稳压阀，稳压阀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。稳压阀上设有溢流管，该溢流管上设有溢流阀，溢流管与水箱1内部相连通。对稳压阀设定一个恒定的压力后，输出的水压便不会变化，若稳压阀内水压过高，溢流阀开启，多余的水便经溢流管流回至水箱1中，既能够起到快速稳定水压的作用，同时还能避免水的浪费。
电子控制器7根据存储的标定MAP图控制缸内、缸外的喷水量，内部设有缸内喷水量-转速图、缸外喷水量-转速图、缸内喷水量-扭矩图、缸内外喷水量-转速图。具体的控制策略以及信号触发的原理与天然气发动机的喷油控制原理相似。
在实际应用时，水箱1内的低压水泵2将一部分水输送至低压水轨3中，并保存于低压水轨3中，低压水轨3通过低压水管将水输送至缸外喷水器15；另一部分水经换热器4加热，热水输送至高压水泵5，随后高压水泵5将热水加压输送至高压水轨6中，并保存于高压水轨6中，高压水轨6通过高压水管将热水输送至缸内喷水器12，电子控制器7根据存储的标定MAP图控制喷入天然气发动机缸体内和进气歧管13内的喷水量。
实施例2：
本实施例中，天然气喷射器为设置在天然气发动机机体9内的缸内天然气喷射器10。其余同实施例1。
实施例3：
本实施例中，天然气喷射器为设置在进气歧管13上的缸外天然气喷射器14。
其余同实施例1。
上述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发明。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，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种缸外冷水缸内热水混合双喷射的天然气发动机结构，其特征在于，该结构包括天然气发动机机体(9)、设置在天然气发动机机体(9)上的进气歧管(13)及排气歧管(8)、天然气喷射器、设置在天然气发动机机体(9)内的火花塞(11)、设置在天然气发动机机体(9)内的缸内喷水器(12)、与缸内喷水器(12)相连通的高压水泵单元、设置在进气歧管(13)中的缸外喷水器(15)、与缸外喷水器(15)相连通的低压水泵单元、设置在低压水泵单元与高压水泵单元之间的换热器(4)、分别与天然气喷射器、火花塞(11)、缸内喷水器(12)、高压水泵单元、缸外喷水器(15)以及低压水泵单元电连接的电子控制器(7)。
2.根据权利要求1所述的一种缸外冷水缸内热水混合双喷射的天然气发动机结构，其特征在于，所述的排气歧管(8)穿过换热器(4)，该换热器(4)吸收排气歧管(8)中的尾气热量，对进入高压水泵单元的水进行加热。
3.根据权利要求2所述的一种缸外冷水缸内热水混合双喷射的天然气发动机结构，其特征在于，所述的低压水泵单元包括水箱(1)、设置在水箱(1)中的低压水泵(2)、与低压水泵(2)相连通的低压水轨(3)、将低压水轨(3)、与缸外喷水器(15)相连通的第一低压水管。
4.根据权利要求3所述的一种缸外冷水缸内热水混合双喷射的天然气发动机结构，其特征在于，所述的缸外喷水器(15)的进水口通过第一低压水管与低压水轨(3)连接，缸外喷水器(15)的回水口通过第二低压水管与低压水泵(2)连接。
5.根据权利要求4所述的一种缸外冷水缸内热水混合双喷射的天然气发动机结构，其特征在于，所述的低压水泵(2)将水压加至0.3-1MPa再输送至低压水轨(3)。
6.根据权利要求3所述的一种缸外冷水缸内热水混合双喷射的天然气发动机结构，其特征在于，所述的高压水泵单元包括与低压水泵(2)相连通的高压水泵(5)、与高压水泵(5)相连通的高压水轨(6)、将高压水轨(6)与缸内喷水器(12)相连通的第一高压水管。
7.根据权利要求6所述的一种缸外冷水缸内热水混合双喷射的天然气发动机结构，其特征在于，所述的缸内喷水器(12)的进水口通过第一高压水管与高压水轨(6)连接，缸内喷水器(12)的回水口通过第二高压水管与高压水泵(5)连接。
8.根据权利要求7所述的一种缸外冷水缸内热水混合双喷射的天然气发动机结构，其特征在于，所述的高压水泵(5)将水加压至35MPa后再输送至高压水轨(6)。
9.根据权利要求6所述的一种缸外冷水缸内热水混合双喷射的天然气发动机结构，其特征在于，所述的换热器(4)的一端与高压水泵(5)连接，另一端与设置在水箱(1)中的低压水泵(2)连接。
10.根据权利要求1至9任一项所述的一种缸外冷水缸内热水混合双喷射的天然气发动机结构，其特征在于，所述的天然气喷射器包括设置在天然气发动机机体(9)内的缸内天然气喷射器(10)或设置在进气歧管(13)上的缸外天然气喷射器(14)中的一种或两种；
所述的天然气发动机的曲轴上设有与电子控制器(7)电连接的转速传感器；
所述的水箱(1)内设有与电子控制器(7)电连接的液位仪。
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