基本信息
- 项目名称：
- 面向多元燃料车用发动机智能喷射系统开发设计
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本项目开发设计的面向多元燃料车用发动机智能喷射系统可以根据所添加的燃料类型来智能调节喷射压力、喷射量以及喷射规律，以实现发动机在使用不同燃料条件下的高效低排放运转。 面向多元燃料车用发动机智能喷射系统由智能燃料箱、高压燃料泵和智能喷射器组成。本项目对该系统各部分进行了结构设计和模拟分析，并进行加工制造和实物试验。
- 详细介绍：
- 针对当前日益加剧的能源和环境问题，各国加大了环保型替代能源的研发力度，但受制于传统发动机的结构，很多替代能源还无法在汽车上得到广泛应用。这无疑给替代能源的推广带来巨大阻力。目前学界已提出了多元燃料发动机（Smart Engine）的设想，即在同一种发动机上使用不同燃料，以促进替代能源的发展。 Smart Engine能够通过车载无线通讯装置—燃料信号接收器，与加油站进行互联通讯。加油站将加注燃料信号发送给燃料信号接收器，并将此信号传送到控制单元ECU，即可得到加注的燃料种类以及含量。ECU在得到加注燃料信号后首先根据该燃料的理化特性通过可变压缩比调节机构改变发动机压缩比。ECU根据加注燃料信号以及驾驶员作用于油门踏板信号来选择发动机的燃烧模式并调节电子节气门的开度、高压燃料泵内燃料喷射压力以及智能燃料喷射器内燃料喷射规律。气体燃料则从气体燃料罐流经减压阀后通过ECU控制的电磁阀喷入进气道内。ECU根据发动机不同的负荷以及燃料的种类选择均质预混合燃烧、均质压燃点火燃烧(HCCI)或分层燃烧(FSI)等燃烧模式。碳氢（HC）以及氮氧化物（NOx）传感器检测尾气中各种排放物的浓度，并将信号反馈给ECU，ECU根据该反馈信号对下一循环燃料喷射压力、燃料喷射规律以及点火时刻进行调节。 根据Smart Engine将要实现的功能，本项目小组提出了智能燃料喷射系统的设想，它可以根据所添加的燃料类型来智能调节喷射压力、喷射量以及喷射规律，以实现发动机在使用不同燃料条件下的高效低排放运转。 多元燃料智能喷射系统由智能燃料箱、高压燃料泵和智能喷射器组成。该系统主要功能包括：与加油站建立无线通讯获取加注燃料种类或混合燃料的配比等信息；针对燃料理化特性的差异并结合发动机的不同工况，通过高压燃料泵调节燃料喷射压力以及改变智能燃料喷射器的开启次数和燃料流通的喷孔数来调节燃料喷射规律。该智能喷射系统能够实现各种不同理化特性燃料良好的雾化和燃烧，通过优化燃料的喷雾和燃烧过程降低发动机对尾气后处理器的依赖程度。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 智能燃料喷射系统设计目的：基于多元化燃料的必然趋势，在对发动机不作大型改动的前提下，使发动机真正变为“杂食者”，扩展了发动机作为动力源的车辆在特殊环境下的燃料来源，促进新能源技术发展，且各地区可根据自身能源结构建立与之相适应的能源供给设施。 智能喷射系统设计的创新点： 1．首次提出车用发动机多元燃料智能喷射系统的概念，填补了国内外在该领域的空白； 2．全新提出智能燃料加注系统； 3．设计出可根据燃料理化特性、运行工况调节燃料喷射规律的全新智能燃料喷射器。 设计基本思路：智能喷射系统由智能燃料箱、高压燃料泵和智能喷射器组成。系统通过与加油站建立无线通讯确定加注燃料种类或混合燃料的配比；针对不同燃料类型并结合发动机不同工况，通过高压燃料泵调节燃料喷射压力以及改变智能燃料喷射器的开启次数和燃料流通的喷孔数来调节燃料喷射规律。 技术关键： 1.通过车辆与加油站之间的蓝牙通讯获取加注燃料信息； 2.改进现有燃料加压泵，实现对不同燃料特性迅速加压和卸压； 3.喷射器能根据不同燃料理化特性调节燃料喷射规律。 主要技术指标：燃料类型及混合比信息的快速交互通讯；高压燃料泵的调压范围、压力调节响应速度；喷射器执行机构响应速度、喷孔直径、肖特平均直径。
科学性、先进性
- 1．将不同类型燃料分别储存在两个燃料箱中，避免了不同燃料的混合造成燃料理化性质的变化。科学、合理地解决了不同燃料的加注、储存问题。 2．根据不同燃料特性并结合运行工况来调节燃料喷射压力，选择合适的燃料喷射规律。 3．各系统功能科学可行，易于实现。智能燃料加注系统利用蓝牙通讯技术；高压燃料泵由现有柴油机高压油泵改造而成；智能燃料喷射器的针阀升程根据压电晶体的特性实现控制，该技术科学可靠，已在其它领域得到应用 4．目前国内外喷射系统最先进的研究仍然仅限于在传统发动机上进行不多于两种类型燃料的混合使用。而智能燃料喷射系统是一款适用于多种燃料的喷射系统，它突破了传统燃料范畴的限制，使多元燃料发动机（Smart Engine）适用于多元燃料的设想成为了可能。 5．本作品利用CFD流体分析软件Fire对喷雾特性进行模拟研究，并在实验台架上进行高压燃料泵压力变化速率、调节范围以及喷射器的燃料雾化特性的测试，为后续研究提供宝贵的实验数据，同时也为Smart Engine的研发做出积极有益的探索。
获奖情况及鉴定结果
- 面向多元燃料车用发动机智能喷射系统开发设计科技查新报告，查新结论证实本系统开发设计概念为国内外首次提出。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
作品可展示的形式
- 实物、产品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使发动机变为真正意义上的“杂食者”，避免针对不同燃料发动机的大笔研发费用，提高了汽车的机动性和灵活性，还可以解决在特殊情况下无法获得单一能源的问题。使用可再生的生物质燃料，极大地降低了温室效应气体的排放。通过车辆与加油站之间的蓝牙通讯提供加注燃料信息；改进现有燃料加压泵，实现针对不同燃料特性迅速加压和卸压；喷射器能根据不同燃料理化特性调节喷射规律。 “十一五”以来，国家投入新能源汽车项目的预算为11亿元，结合地方政府和企业的投资，预计总投入将超30亿元。替代能源在中国的使用率还远远落后于国际水平。2007年我国替代燃料发动机销量仅占总销量的0.04%，预计到2020年，这一比例将达到39%。替代能源的广阔前景为智能喷射系统的推广创造了有利条件。 得益于中国汽车产业的蓬勃发展和替代能源的需求的大幅提高，智能喷射系统将拥有广阔的市场前景。现有的新能源汽车研发及生产成本十分高昂，如果集中力量和资金开发一种发动机而免去其他各种发动机的研发，可以为企业节省巨额研发成本。
同类课题研究水平概述
- Smart Engine，即能使用多元燃料的车用发动机，当前只是内燃机学界极少数科学家在概念上提出，对其所具备的功能尚未形成具体、完善、统一的描述，基本没有现成文献可参考。但是基于未来多元燃料发展的必然趋势，Smart Engine的技术研究具有非常重大的意义。而智能喷射系统作为Smart Engine运行的关键部件系统之一，在本文中的全新概念及其功能结构开发设计的提出是世界首次。 目前国内外喷射系统最先进的研究仍然仅限于在传统发动机上进行不多于两种类型燃料的混合使用如：汽油机上实现汽油或乙醇汽油混合燃料使用，传统汽油机改造为氢气/天然气(CNG)/石油液化气(LPG)和汽油的双燃料发动机，乙醚或生物柴油与柴油混合在柴油机上使用等。而我们合理大胆地提出了科学的设想来设计一款适用于多种燃料的喷射系统。 智能燃料喷射系统作为Smart Engine的核心功能部件之一，在设计上面临巨大的挑战。目前国内外对该方面的研究大多沿用现有喷射系统来进行燃料喷射试验，而没有专门设计出能够使用多种燃料的发动机喷射系统。为此，我们在燃料喷射系统各部分均进行了结构改造与创新，使其能更好地满足Smart Engine的性能要求。首先，燃料加注系统能有效使车辆获知所加注的燃料种类及混合比例，并创新性地设计使用了双燃料箱，解决了不同燃料的加注、存储问题。然后，改造了现有高压燃料泵，它性能好、结构简单、使用可靠、响应迅速。最后，设计出结构新颖、可根据燃料理化特性调节燃料喷射规律的智能燃料喷射器。
