一种用于减少机动车冷启动排放的提前加热系统

摘要

本发明公开了一种用于减少机动车冷启动排放的提前加热系统，属于车用发动机及其附件相关的技术领域。系统主要由车用小型燃烧器，与发动机冷却水、机油、燃料供给等管路存在换热关系的换热器及管路回路，小型车用燃烧器的进排气、燃料供给管路及控制器等部件组成。本发明的优势在于通过加装本系统，减少了机动车冷启动时的排放；缩短了发动机的暖机过程，降低该阶段中产生的有害气体排放并减轻发动机的低温磨损。

说明书

技术领域

本发明旨在利用车用小型燃烧器，在机动车冷启动前，对车辆发动机的冷却水、机油、燃料供给系统及排放后处理设备等进行提前加热，从而减少发动机冷启动和暖机阶段的排放以及减轻发动机的低温磨损；属于车用发动机及其附件相关的技术领域。

背景技术

与本发明相关的背景技术主要包括发动机冷启动预热装置及发动机燃烧和排放控制技术两方面。

发动机冷启动预热装置是指在发动机冷启动之前或过程中，通过加热进气、燃油、冷却水、机油等方法来提高气缸内部着火的成功率，辅助车辆启动的装置。该类装置在柴油发动机上较为常见，常以预热塞的形式出现。在该类装置中，用于加热的部件有电加热和小型燃烧器加热两种，其中以电加热最为常见。

电加热方法的优势在于体积小、成本低、易于布置和安装，缺点是消耗较多的电能。由于在车辆启动前，电加热器所消耗的电能全部由车载蓄电池供给，电加热器消耗过多的电能使得蓄电池不能再提供足够的能量来驱动起动机，进而造成车辆无法启动。此外，由于电加热器消耗的电能较多，使得车载蓄电池频繁地进行充放电，导致蓄电池的寿命缩短。

小型燃烧器加热是利用燃料燃烧时放出的热能来加热的方法。小型燃烧器在汽车发动机启动前可独立工作。该类装置的优势在于加热温度高、性能可靠、寿命长、不依赖车载蓄电池工作。目前市场上已有利用车用小型燃烧器在车辆启动前为驾驶舱提供暖风的装置；但将小型燃烧器用于加热发动机冷却水、机油、燃料供给系统及排放后处理装置，进而减少车辆冷启动排放的相关设备尚未出现。

关于发动机燃烧和排放控制技术的研究表明：发动机冷启动和暖机过程中，由于燃料温度低造成的雾化不良、着火困难，气缸壁面温度低造成淬熄距离加长，机油温度低造成的润滑不良、阻力增加，排放后处理装置温度低造成转化效率低下是造成该过程机动车有害排放高的原因。在发动机启动前，为发动机冷却水、机油、燃料供给系统及排放后处理装置加热，可以有效地减少发动机启动和暖机过程中产生的排放。

发明内容

本发明旨在利用车用小型燃烧器，在机动车冷启动前，对车辆发动机的冷却水、机油、燃料供给系统及排放后处理设备等进行提前加热，从而减少发动机冷启动和暖机阶段的排放以及减轻发动机的低温磨损。

本发明采用如下技术方案：

一种用于减少机动车冷启动排放的提前加热系统，其组成包括车用小型燃烧器5、发动机冷却水换热器1、机油换热器2、燃料供给换热器3、燃烧器控制器6以及相关的管路回路；还包括有机动车原有设备的油箱8和燃油泵7，油箱8用来存贮燃料，燃油泵7用于以一定压力供给燃料。燃油泵7除了向现有机动车上的发动机供给燃料外还同时与车用小型燃烧器5相连，向车用小型燃烧器5供给燃料。车用小型燃烧器5与燃烧器控制器6用电路连接，燃烧器控制器6用于对车用小型燃烧器5进行控制；车用小型燃烧器5的已燃气体出口分别与发动机冷却水换热器1、机油换热器2、燃料供给换热器3的高温热源入口相连，用于将高温的已燃气体通入上述发动机冷却水换热器1、机油换热器2、燃料供给换热器3三个换热器中为发动机冷却水、机油和燃料加热。同时，车用小型燃烧器5的已燃气体出口在发动机原有的发动机排气后处理设备4前并联入排气管，用来为排气后处理设备加热。发动机冷却水换热器1、机油换热器2、燃料供给换热器3三个换热器的高温热源出口在排气后处理设备4前并联入排气管，利用在上述三个换热器中尚未利用的已燃气体余温为排气后处理设备4加热。

发动机冷却水换热器1、机油换热器2、燃料供给换热器3均为板壳式换热器，换热器中的高温流体与低温流体不混合。

发动机冷却水换热器1布置在发动机冷却水小循环管路外围壁面上。机油换热器2布置在发动机机油底壳周围的壁面上。燃料供给换热器3布置在燃料供给系统主管路的外围壁面上。

本发明的优势在于：

（1）通过启动前加热，有效减少发动机冷启动和暖机过程中产生的排放和磨损

在车辆启动前，本发明利用车用小型燃烧器产生的热量为发动机冷却水、机油、燃料供给系统以及排气后处理设备进行提前加热。加热发动机冷却水可有效缩短燃料在冷启动和暖机过程工况下的淬熄距离，有助于燃料被点燃和更完全燃烧，进而减少发动机冷启动时的HC和CO排放。加热机油可有效降低发动机冷启动和暖机过程中的摩擦损失，进而减少上述工况下的喷油脉宽，进而减少排放；此外，经过加热的机油流动性变好，使得发动机中各摩擦副间的润滑变好，有助于减少发动机磨损。加热燃料供给系统有益于燃料在气缸内更好的雾化，从而减少了发动机冷启动和暖机过程的喷油脉宽，降低了发动机的排放。加热排气后处理设备，缩短了排气后处理设备达到工作温度的时间，有助于减少排放。

（2）使用一个车用小型燃烧器，同时为多个部件加热，能量利用充分

本发明使用一个车用小型燃烧器，同时为多个需加热的部件加热，结构紧凑，便于在现有车辆上改装和布置。由车用小型燃烧器产生热量在流经发动机冷却水换热器、机油换热器、燃料供给换热器后，再次进入排气管为排气后处理设备加热，实现了能量的梯级利用，利用充分。

（3）加热过程不影响蓄电池的使用和寿命

由于本发明使用车用小型燃烧器作为热源，只有燃烧器控制器消耗极少的电能，用电量小，加热过程中不会对蓄电池的使用造成影响。相比于使用电加热器作为热源，本发明的加热过程不伴随蓄电池的大电流反复充放电，因而对于蓄电池的使用寿命没有影响。

（4）可通过模式开关选择是否使用该装置

本发明中涉及的燃烧器控制器包含有模式开关，当且仅当用户将模式开关打开时，本发明才在发动机冷启动前为相关部件进行提前加热。当用户将模式开关关闭时，发动机则按照正常的冷启动和暖机过程进行，本发明将不进行任何干涉，这样可以避免由于本发明干涉而出现的车辆不能立即启动的问题。

附图说明

图1一种用于减少机动车冷启动排放的提前加热系统总体示意图；

图2燃烧器加热器6原理图。

图中：1-发动机冷却水换热器，2-机油换热器，3-燃料供给换热器，4-排气后处理设备，5-车用小型燃烧器，6-燃烧器控制器，7-燃油泵，8-油箱。

具体实施方式

图1是本发明的总体示意图。

本发明由车用小型燃烧器、发动机冷却水换热器、机油换热器、燃油供给换热器、燃烧器控制器以及相关的管路回路等零部件组成。油箱8和燃油泵7是机动车原有设备，油箱8用来存贮燃料，燃油泵7用于以一定压力供给燃料。燃油泵7在现有机动车上向发动机供给燃料，在本发明中同时与车用小型燃烧器5相连，用于向车用小型燃烧器5供给燃料。车用小型燃烧器5与燃烧器控制器6用电路连接，燃烧器控制器6用于对车用小型燃烧器5进行控制，控制方法和策略将在后文中介绍。车用小型燃烧器5的已燃气体出口分别与发动机冷却水换热器1、机油换热器2、燃料供给换热器3的高温热源入口相连，用于将高温的已燃气体通入上述发动机冷却水换热器1、机油换热器2、燃料供给换热器3三个换热器中为发动机冷却水、机油和燃料加热。同时，车用小型燃烧器5的已燃气体出口在发动机排气后处理设备前并联入排气管，用来为排气后处理设备加热。发动机冷却水换热器1、机油换热器2、燃料供给换热器3三个换热器的高温热源出口在排气后处理设备前并联入排气管，利用在上述三个换热器中尚未利用的已燃气体余温为排气后处理设备加热。

发动机冷却水换热器1、机油换热器2、燃料供给换热器3均为板壳式换热器，换热器中的高温流体与低温流体不混合。

发动机冷却水换热器1布置在发动机冷却水小循环管路外围壁面上。机油换热器2布置在发动机机油底壳周围的壁面上。燃料供给换热器3布置在燃料供给系统主管路的外围壁面上。

图2是本发明中燃烧器控制器6的原理图。

V1表示已经过电压转化模块转化后的5V直流电压，用以保障图2中的各个元器件的正常工作。U1是8051型单片机，用作燃烧器控制器的控制核心，布置于其外围的C1、C2、C3三枚电容，晶振U3以及电阻R1均是用来保障单片机正常工作的外围电路中的元器件。图中J1和J2分别代表车辆钥匙门START位置和模式开关，当且仅当J1和J2均闭合时，位于其后的与门U2A才输出高电平，U2A的输出端与单片机U1的P1.0和P1.1口相连（图2中标注为P1B0T2和P1B1T2EX）。单片机U1的P1.6和P1.7口（图中标注为P1B6MISO和P1B7SCK）分别与与门U4A的两个输入端相连。同时，单片机U1的P1.6口还与常闭合继电器K1的一个控制端相连。常闭合继电器K1的另一个控制端与GND相连。常闭合继电器K1的受控端为设置在为车用小型燃烧器供给燃料的管路中的闭合阀门，即只有K1打开时，车用小型燃烧器才有燃料供给，否则无法工作。与门U4A的输出端与车辆钥匙门START位置的输出端相连。

通过单片机U1中的程序将P1.0和P1.1口设为输入端，将P1.6和P1.7口设为输出端。单片机初始化时，将P1.0、P1.1、P1.6和P1.7口均设为低电平。则燃烧器控制器6的控制逻辑为：当且仅当J1、J2均闭合时，即驾驶员打开了模式开关并转动钥匙门试图启动车辆，与门U2A才有高电平输出，此时单片机U1的P1.0和P1.1有高电平输入。单片机U1的P1.0口用于控制P1.6口，当P1.0口置高电平时，P1.6口即输出高电平，此时常闭合继电器K1控制端接通，受控端的闭合阀门打开，车用小型燃烧器开始工作。P1.1口置高电平时，单片机U1内部的延时程序启动，单片机U1开始计算延时，当延时程序结束，P1.7口置高电平。仅当此时，与门U4A的输出端有输出，此时的发动机已经经过一段时间的提前加热，但发动机并未启动，与与门U4A输出端相连的车辆钥匙门START位置有输入，车辆被发动。当P1.0口有高电平输入进而将P1.6口置高电平后，程序不再检测P1.0口的输入并将其复位，则驾驶员不必在加热过程中保持钥匙门在START位置。直到延时程序完成后，再次检测P1.0口的输入，此时若P1.0口置高电平，即车辆已发动，则将单片机U1的所有口复位，常闭合继电器K1的控制端不再有电流通过，阀门关闭，车用小型燃烧器停止工作。