CN207905923U - 一种具有进气道喷水功能的清洁发动机 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种具有进气道喷水功能的清洁发动机。该发动机主要包括两级增压系统、喷水系统、EGR系统、控制系统和发动机主体。通过引入大比例EGR稀释进气氧浓度，实现低温燃烧，降低NOx排放；采用进气道喷水大幅增加进气比热容，水较大的汽化潜热进一步降低缸内燃烧温度，使发动机NOx排放接近零排放。小负荷滞燃期较长，压升率较高，此时ECU会自动降低喷水量，同时调整缸内喷油策略至预喷策略。而大负荷喷水会存在碳烟高的问题，此时ECU会调整缸内喷油策略为后喷策略，促进碳烟后期氧化，降低碳烟排放。且ECU会对NOx和碳烟进行实时监控，自动调节喷水量。本实用新型可以在全工况范围内自动控制气道喷水量与发动机缸内喷油策略，实现发动机高效清洁燃烧，满足即将实行的国六排放法规。
Description
技术领域
本实用新型涉及清洁发动机，特别涉及具有进气道喷水功能的清洁发动机。
背景技术
内燃机作为一种高效率的动力机械，被广泛应用于汽车、农机、国防、工业机械等各个领域。其中汽车产业发展迅速，2016年全国机动车保有量达到2.95亿辆，全国机动车排放污染物中，氮氧化物(NOx)排放约为577.8万吨，颗粒物(PM)排放约为53.4万吨，是大气污染的主要来源之一，由此可见，降低发动机的排放至关重要。为满足先前欧(国)V排放法规，主流的技术路线有两种，一种是以EGR+DPF/DOC为代表的“美国路线”，另一种是以燃烧优化+SCR为代表的“欧洲路线”，而为了满足更加严格的排放法规，EGR技术对柴油机而言已是不可缺少。EGR(Exhaust Gas Recirculation，废气再循环)技术降低柴油机排放的主要原因在于：(1)热效应。废气中CO2及H2O能提高缸内充量比热容，从而降低燃烧温度；(2)稀释效应。废气引入降低了缸内O2浓度，氧化物浓度降低、活性下降导致燃烧反应速率降低；(3)化学效应。废气中CO2和H2O进入缸内后发生离解反应，从而改变燃烧过程及NOx生成。
一些学者发现采用乳化油，将水引入柴油机，可以达到与EGR相同的效果，而且用水还会避免EGR带来的诸多问题。水还可以通过气道喷射的方式引入柴油机，同样可以达到降低NOx排放的效果。研究表明，采用气道喷水和乳化油都可以大幅度降低NOx排放，而采用乳化油对soot排放改善效果更佳。但采用乳化油带来的问题也不可忽视，首先是油水静置后会两相分离，造成难以储存；其次，固定的油水比例难以适应柴油机多变的工况。气道喷水可以灵活控制喷水量与时刻，优势较为明显。水的大比热容会导致进气比热容增加，研究表明进气比热容每增加1％，就会降低20％的NOx排放。而结合EGR后，NOx会进一步降低，接近零排放，且油耗会小幅度降低。然而，气道喷水在降低缸内燃烧温度，大幅降低NOx的同时，会导致碳烟排放的上升，这是当前需要解决的问题之一。
喷油策略是改善发动机燃烧排放性能的重要技术手段之一，预喷可以明显缓解小负荷发动机压升率过高的问题，使燃烧更加柔和；小油量适当早的后喷可以将燃烧持续期延长，促进碳烟氧化，在降低碳烟排放的同时可以获得燃油经济性的改善。
目前已有的气道喷水研究并不完善，对于全工况内的喷水喷油控制策略以及喷水发动机的研究也不够多，有必要对此进行进一步探索研究。
发明内容
本实用新型的目的在于克服已有技术的不足，提供一种具有进气道喷水功能的清洁发动机。本实用新型使用ECU实时监控排放物浓度与发动机工况，实现了在全工况内实现发动机高效清洁柔和地燃烧，并能不用昂贵的后处理装置就可以满足国六排放法规。
为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
本实用新型一种具有进气道喷水功能的高效清洁发动机，包括两级增压系统、喷水系统、EGR系统和控制系统；所述的两级增压系统包括按空气流动方向依次安装在发动机进气管路上的空气滤清器、低压级压缩机、中冷器和高压级压缩机以及按空气流动方向依次安装在发动机排气管路上的高压级涡轮机、低压级涡轮机和颗粒捕集器，所述的高压级压缩机与高压级涡轮机同轴相连，低压级压缩机与低压级涡轮机同轴相连，所述的EGR系统包括高压EGR回路和低压EGR回路，所述的高压EGR回路为：发动机排气总管的出口分为两条支路，第一支路与高压级涡轮机的进口连通，第二支路依次连接EGR冷却器、高压废气再循环阀以及经过气道喷水器的进气总管，所述的低压EGR回路包括安装有低压废气再循环阀的管路，所述的低压EGR回路一端与位于空气滤清器和低压级压缩机之间的发动机进气管路相连通并且另一端连接颗粒捕集器出口，所述的颗粒捕集器和低压废气再循环阀之间的低压EGR回路通过排空管与大气连通；所述的喷水系统包括所述的气道喷水器，所述的气道喷水器的进口通过水管与流量计以及水箱依次相连，所述的气道喷水器的出口连接在高压级压缩机出口与发动机进气总管之间的发动机进气管路上，在所述水箱中安装有高低液位报警器与液位监控装置，所述的控制系统包括ECU，所述的ECU与发动机、喷油器、气道喷水器、高压废气再循环阀、低压废气再循环阀和高压级涡轮机分别通过控制线相连。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
第一，采用气道喷水系统可以大幅降低NOx排放，并减少对EGR的依赖；第二，气道直喷水相比蒸汽喷射省去蒸汽制备装置；第三，气道喷水与喷油策略相结合，可实现全工况内排放物满足国六法规。第四，发动机可实现全自动化控制，不用后处理装置即可满足国六排放法规。
附图说明
图1为本实用新型的一种具有进气道喷水功能的清洁发动机的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细描述。
如图1所示的本实用新型的一种具有进气道喷水功能的高效清洁发动机，包括两级增压系统、喷水系统、EGR系统和控制系统。
发动机管路中空气按箭头所示方向流动，所述的两级增压系统包括按空气流动方向依次安装在发动机进气管路上的空气滤清器1、低压级压缩机2、中冷器3和高压级压缩机4以及按空气流动方向依次安装在发动机排气管路上的高压级涡轮机13、低压级涡轮机14和颗粒捕集器(DPF)15。其中高压级压缩机4与高压级涡轮机13同轴相连，低压级压缩机2与低压级涡轮机14同轴相连。
所述的EGR系统包括高压EGR回路和低压EGR回路，所述的高压EGR回路为：发动机排气总管的出口分为两条支路，第一支路与高压级涡轮机13的进口连通，第二支路依次连接EGR冷却器11、高压废气再循环阀12以及经过气道喷水器5的进气总管。所述的低压EGR回路包括安装有低压废气再循环阀16的管路，所述的低压EGR回路一端与位于空气滤清器1和低压级压缩机2之间的发动机进气管路相连通并且另一端连接颗粒捕集器15出口，所述的颗粒捕集器15和低压废气再循环阀16之间的低压EGR回路通过排空管与大气连通。
废气经低压级涡轮机14做功后经过颗粒捕集器15后分为两条支路，一条经过低压废气再循环阀16通入空气滤清器1之后的进气管路，与进气管会合，另一条通向大气。
所述的喷水系统包括气道喷水器5，所述的气道喷水器5的进口通过水管与流量计6以及水箱7依次相连。所述的气道喷水器5的出口连接在高压级压缩机4出口与发动机进气总管之间的发动机进气管路上，在所述水箱中安装有高低液位报警器与液位监控装置。
所述的控制系统包括ECU8，所述的ECU8与发动机10、喷油器9、气道喷水器5、高压废气再循环阀12、低压废气再循环阀16和高压级涡轮机13分别通过控制线相连。所述ECU 8接收到发动机的工况信号、排放物浓度信号后生成气道喷水器、缸内喷油器、高压级涡轮机信号、高低压废气再循环阀开度控制信号后对各部件进行调节，确保发动机在全工况内实现高效清洁燃烧。
发动机运行时，空气经过空气滤器过滤1后，与来自低压废气再循环阀16的废气混合，再经低压级压缩机2、高压级压缩机4压缩后与经过高压废气再循环阀12的废气和气道喷水器5喷出的水雾混合进入发动机10气缸进行燃烧。燃烧完毕之后的高压废气首先经过高压废气再循环阀12通入高压级压缩机4出口，之后经过高压级涡轮机13、低压级涡轮机14做功后经低压废气再循环阀16进入低压级压缩机2的入口。其中高压级涡轮机13为可变截面涡轮机或可变喷嘴涡轮机，即涡轮有效截面积或喷嘴截面积可被调控。ECU 8会根据采集到的发动机的工况信号、排放物浓度信号后生成气道喷水器、缸内喷油器、可变截面涡轮机信号、高低压废气再循环阀控制信号后对所述各部件进行调节，确保发动机在全工况内实现高效清洁燃烧。
EGR系统可确保发动机氧浓度得到充分稀释，缸内燃烧反应速度与燃烧温度较低，NOx生成量较低；两级增压系统可确保新鲜空气进气量足够，可提高发动机功率。气道喷水系统可进一步增加进气充量的比热容，且水较大的汽化潜热会进一步降低缸内温度，使NOx接近零排放。
在小负荷时，新鲜进气量充足，缸内温度较低，缸内燃油滞燃期较长，压升率较高，燃烧较为粗暴。此时ECU 8会经信号线接收发动机压升率信号，若超过限值1兆帕每曲轴转角，ECU 8会自动控制缸内喷油器9切换到预喷策略，即预喷+主喷的喷射策略。其中预喷燃油3毫克每循环，主预喷间隔角为10度曲轴转角。同时ECU 8对气道喷水器5发出降低气道喷水量的信号，降低气道喷水量，防止进气温度太低造成滞燃期过度延长，或是失火等。
中等负荷时，ECU 8会经信号线接收排放物浓度信号并实时监控，若NOx浓度高于国六排放法规0.4g/(kW·h)，则对气道喷水器5发出加大喷水量的控制信号，同时控制高压废气再循环阀12与低压废气再循环阀16的开度来保证缸内氧浓度得到充分稀释，降低NOx排放浓度。
在大负荷时，循环喷油量较多，缸内最大爆发压力大，空燃比较小，且利用喷水降低NOx的同时会带来碳烟升高的问题。此时ECU8会监控排气中的碳烟浓度，若高于国六法规限值0.01g/(kW·h)，则自动控制缸内喷油器9的喷油策略转换为后喷策略，即主喷+后喷，主后喷间隔为6度曲轴转角，循环喷油量为5毫克。后喷可延长滞燃期，促进碳烟后期氧化，从而降低大负荷碳烟排放。
该发动机完全可以实现全自动化控制，启动后即可正常使用，发动机全工况内原始NOx和碳烟排放都可以控制在国六排放法规限值以下，且油耗相比普通柴油机会更低。
对于不同工况条件下更为精细的控制策略，还需要结合电控方面的相关设计，开发相应的电控单元(ECU)。
尽管上述结合示意图对本实用新型进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，以上表述仅为示意性，并非限制性。本领域的技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨的情况下，还可以进行多种变形(如采用不同类型的增压方案或EGR方案，采取不同主预喷或主后喷间隔，采取不同的预喷或后喷油量)，这些均属于本实用新型的保护之内。
Claims (2)
1.一种具有进气道喷水功能的清洁发动机，其特征在于：包括两级增压系统、喷水系统、EGR系统和控制系统；所述的两级增压系统包括按空气流动方向依次安装在发动机进气管路上的空气滤清器、低压级压缩机、中冷器和高压级压缩机以及按空气流动方向依次安装在发动机排气管路上的高压级涡轮机、低压级涡轮机和颗粒捕集器，所述的高压级压缩机与高压级涡轮机同轴相连，低压级压缩机与低压级涡轮机同轴相连，所述的EGR系统包括高压EGR回路和低压EGR回路，所述的高压EGR回路为：发动机排气总管的出口分为两条支路，第一支路与高压级涡轮机的进口连通，第二支路依次连接EGR冷却器、高压废气再循环阀以及经过气道喷水器的进气总管，所述的低压EGR回路包括安装有低压废气再循环阀的管路，所述的低压EGR回路一端与位于空气滤清器和低压级压缩机之间的发动机进气管路相连通并且另一端连接颗粒捕集器出口，所述的颗粒捕集器和低压废气再循环阀之间的低压EGR回路通过排空管与大气连通；所述的喷水系统包括所述的气道喷水器，所述的气道喷水器的进口通过水管与流量计以及水箱依次相连，所述的气道喷水器的出口连接在高压级压缩机出口与发动机进气总管之间的发动机进气管路上，在所述水箱中安装有高低液位报警器与液位监控装置，所述的控制系统包括ECU，所述的ECU与发动机、喷油器、气道喷水器、高压废气再循环阀、低压废气再循环阀和高压级涡轮机分别通过控制线相连。
2.根据权利要求1所述的具有进气道喷水功能的清洁发动机，其特征在于：所述的高压级涡轮机为可变截面涡轮机或可变喷嘴涡轮机。
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