汽油机冷起动快速预热进气的装置及方法

摘要

本发明涉及一种实现汽油机冷起动快预热进气的装置及方法，该装置包括：汽油供应及喷射单元、预热装置的进气单元、点火电极、燃烧室、换热装置、外壳、温度传感器以及电控单元。该方法步骤为：启动前获得进气管温度T；T与预设值T1比较；当T≥T1时，发动机按照常规模式启动；当T＜T1时，启动电机，延续3秒后点火，电磁阀开，开始；5秒钟后，点火，开始对进气加热；获得加热后的进气管温度T；将T与预设值T2比较；当T≥T2时，停止向燃烧室喷油；启动发动机；当T＜T2时，继续向燃烧室供油，直至T≥T2。

说明书

技术领域

本发明涉及一种实现汽油机冷起动快预热进气的装置及方法，属于降低汽油机冷起动排放技术。

背景技术

在排放循环测试中，根据美国环境保护署的联邦政府实验规程测试得知，配备三元催化转化器的汽油机近80％的HC、CO排放是在冷起动最初的几分钟内产生的。汽油机冷起动较高的排放造成了环境空气质量的严重污染。因此，减少汽油机冷起动排放意义很大。

进气预热是有效降低汽油机冷起动排放的有效措施之一。进气预热有集中预热和分缸预热两种。集中式预热装置安装在发动机的进气管上，分缸预热安装在各气缸内或进气歧管上，预热形式主要有电预热塞、进气加热器和电火焰预热器。

电预热塞主要用于加热气缸内空气，主体用铁镍铝合金制成的螺旋型电阻丝，电阻一端焊在中心螺杆上，另一端焊在耐热不锈钢制成的发热体钢套低部，螺杆和外壳用瓷质绝缘体装在气缸上，各缸电热塞中心螺杆用导线接于电源。发动机起动前接通电热塞开关，电流经蓄电池“+”-电阻丝-中心螺杆-蓄电池“-”。电阻丝和发热体钢套发热变红，加热气缸内的空气，达到顺利起动目的。

进气加热器安装在进气口下方，加热器的发热元件是具有正温度系数的PTC电热陶瓷材料，瞬间电流高大40～60A，1min加热到60～80℃。

电火焰预热器安装在进气总管入口，主要由电热塞和喷油器成，这种预热装置除电热塞产生热量外，还通过供油装置向其周围喷射柴油形成电火焰，以产生更多的热量。在起动发动机前，先对火焰电热塞进行预热，预热完成后，起动发动机后同时电磁阀通电开启，喷油器将燃油喷向电热塞形成电火焰。电热塞预热一般需要30s甚至更长时间。

这三种进气预热装置主要是用于辅助汽油车顺利起动，并不是为了降低冷起动排放。而且三种预热装置用于汽油机进气预热均有一定的缺陷。首先，三者耗电量都很大，这势必加剧蓄电池消耗，造成蓄电池本身电力下降，对冷起动非常不利，影响其寿命甚至造成起动失败，直接导致冷起动排放升高，在低温时更是如此。其次，电加热器和电火焰预热器均是局部加热，进气温度不仅受热不均还会在发动机起动后下降。另外，电火焰预热器使用燃料为柴油，不方便用在汽油机上。

综上所述，有必要开发一套用于降低汽油机冷起动排放的预热装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种汽油机冷起动快预热进气的装置及方法。该进气预热装置能快速加热进气，耗电量少，成本低，系统集成性高，其方法操作运行可靠，进气预热技术能改善混合气形成质量，从而有效降低汽油机冷起动排放。

本发明是通过下述技术方案加以实现的。

该装置包括：与汽油机进油管路相连的汽油供应及喷射单元、预热装置的进气单元、点火电极、燃烧室、换热装置、外壳、温度传感器以及电控单元。

上述进气单元包括：

两端开口的圆柱形第一保护罩2a；

与第一保护罩2一个开口端相连的连接体5，起连接和承载的作用；

位于连接体上的气体通道30，可使气体方便地在其连接的两个腔体之间流通；

位于保护罩2内，与连接体5一个端面相连的电机4；

位于电机4上的风扇1；

与圆柱形第一保护罩2a外形尺寸基本相同的第二保护罩2b，一个开口端与连接体5通过螺钉33相连，另一开口端与第一锥形圈10a和第二锥形圈10b通过焊接相连；

第一锥形圈10a两端分别与第二保护罩(2b)和燃烧室内壁相连，且开有气孔36，使风扇1送进的部分空气进入换热装置，最终进入发动机进气口；

第二锥形圈10b两端分别与第二保护罩2b和换热装置外壁相连，防止换热器中的气体倒流；

锥形与喷嘴喷出的喷射流体锥形基本一致的导流体12，通过焊接与燃烧室内壁相连；在导流体12上开有倒流槽35，供二次风通过，二次风起加强油滴和空气混合，使燃料进一步燃烧完全并稳定燃烧的作用；

与导流体12锥形相对的一次风导向体11，通过焊接与导流体12的另一端相连，一次风导向体11的四周对称地分布着一次风口34，供一次风通过，一次风为初期着火提供可燃混合气并减少炭黑生成。

上述一次风导向体11的一次风口和导流体12上开有倒流槽35的空气流量最佳比例为44∶56。

上述汽油供应及喷射单元包括：

与电机4相对，固定在连接体5另一个端面，喷射流体外形为空心圆锥的低压喷油嘴8；

位于喷油嘴8后端的电磁阀7，用于控制燃油的通断。

上述燃烧室包括：

圆柱形芯筒14；

位于芯筒内壁的锥形挡板13，延长燃气驻留时间，使燃烧更加充分。

上述换热装置由两个同轴心等高圆筒嵌套而成，内筒端面为开口端，内筒与外筒形成的夹层端面通过焊接密封；

换热装置15与燃烧室的圆柱形芯筒基本同轴心，二者通过烟气通道17连通；

上述换热装置的外筒有一废气排放口19，燃烧室的烟气经烟气通道17，进入内外筒夹层，最后经废气排放口19进入排气管。

上述外壳罩在换热装置外部，并与换热装置之间形成空气夹层，外壳靠近喷嘴侧一端为开口端，供冷空气进入，另一端为暖风出口18，与发动机进气口相连，外壳通过螺钉固定在换热装置外筒上。

上述温度传感器置于发动机进气管上。

上述电控单元25独立于发动机电控系统，控制单元实现电机4、电磁阀7、点火电极9、温度传感器26的控制和保护。

一种汽油机冷起动过程快速预热进气的方法，该方法包括以下步骤：

(1)发动机启动前获得的发动机进气管温度T；

(2)预热装置电控单元将T与预设值T1比较；

(3)当T≥T1时，预热装置不启动，发动机按照常规模式启动；

(4)当T＜T1时，启动电机，延续3秒后点火，电磁阀开，开始；

(5)5秒钟后，点火，燃烧室温度逐渐升高，开始对进气加热；

(6)加热过程中不断获得加热后的进气管温度T；

(7)预热装置电控单元将T与预设值T2比较；

(8)当T≥T2时，电磁阀关，停止向燃烧室喷油；

(9)此时开始启动发动机；

(10)当T＜T2时，继续向燃烧室供油，直至T≥T2。

该装置在燃油滤清器后的进油管路上设置一个三通阀，使装置能燃用来自汽油泵的燃油，燃油经过喷嘴并在气流作用下雾化，并用高压点火点燃，燃烧放出的热量用于预热冷空气，发动机起动后，热空气被吸入发动机。

本发明相对于现有技术，具有如下优点：

本发明的优点在于，使用低压喷射汽油高压点火方式，能快速预热进气，耗电量小，能有效减少冷起动排放。采用本发明的装置可以方便地对现有和新开发的汽油机进行改装，系统造价成本低。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图2为本发明应用于汽油机的框图；

图3喷油嘴结构图；

图4为本发明连接体图；

图5为本发明一次风导向体主视图(左)和俯视图(右)；

图6为本发明导流体图；

图7为本发明第一锥形圈图；

图8为本发明燃烧室芯筒内壁挡板图；

图9为本发明装置工作流程图；

图10为发动机冷起动进气温度变化图；

图11为发动机冷起动排放变化图；

表1为整车低温冷起动排放对比；

图中1为风扇，2a为第一保护罩，2b为第二保护罩，3为点火线圈，4为电机，5为连接体，6为进油管，7电磁阀，8为喷油嘴，9为点火电极，10a为第一锥形圈，10b为第二锥形圈，11为一次风导向体，12为导流体，13燃烧室芯筒内壁挡板，14为燃烧室，15为换热装置，16为外壳，17为烟气通道，18为暖风出口，19为废气排放口，20为汽油泵，21为燃油滤清器，22为三通阀，23为加热器，24为其它信号，25为加热器控制单元，26为进气温度传感器，27为空气滤清器，28为发动机进气管，29为发动机。

具体实施方式

汽油供应及喷射单元：

对照图2，根据汽油机的控制策略，起动前汽油泵20已经开始工作，起动钥匙处于“ON”位置，进油管中充满燃油。因此，可借助于汽油泵作为加热器23燃料供应装置。在发动机29进油管路中燃油滤清器21之后设置三通阀22，一定压力的燃油通过进油管6进入喷油嘴8，并由电磁阀7控制燃油通断，喷油嘴用螺钉固定于连接体5。该喷嘴特征是喷雾形状为空心圆锥形，喷射贯穿距离短，喷雾锥角较大。在喷油压力一定的条件下，燃油流量一定。本装置实现了低压喷射，充分利用了汽油机本身装置，不需要额外配置喷油泵，减少了本发明装置的复杂程度，节约了制造成本。

进气单元：

该装置采用一个电机4驱动一个风扇1，用于提供助燃风和冷却风。电机采用螺钉32固定于连接体5，连接体与第一保护罩2a、第二保护罩2b用螺钉32、33连接。新鲜空气经过连接体气体通道30。其中助燃风又分为一次风和二次风。沿一次风导向体11四周开有8个长方形一次风口34，一次风导向体与导流体12通过焊接连接。在导流体11上开有6个导流槽35，二次风经过导流槽进入燃烧室14，导流体焊接在燃烧室内壁上。一次风主要是为初期着火提供可燃混合气并减少炭黑生成；二次风(旋流风)加强油滴和空气混合，使燃料进一步燃烧完全并稳定燃烧。一次风和二次风的最佳比例为44∶56。混合气在燃烧室中燃烧，废气经过2个圆柱形烟气通道17，经过换热层，最后由废气排放口19排出。

点火系统：

在一次风和二次风的作用下，燃油由喷油嘴喷出后并与空气充分混合，由点火线圈3输送能量通过点火电极9点燃混合气。这样就实现了即喷即着的功能，达到快速起燃的目的。

燃烧系统：

燃烧主要在燃烧室中进行的，燃烧室14为圆柱形芯筒，设有挡板13，使燃气驻留时间长，充分燃烧。

换热系统：

由风扇提供的冷却风，通过第一锥形圈10a上的气孔36，进入换热装置15，由暖风出口18送出。第二锥形圈10b通过焊接方式连接换热装置15外壁与第二保护罩2b，换热器与外壳用螺钉连接，暖风出口与外壳用螺钉连接。另外，换热器外壁与外壳之间形成另外换热夹层，并有冷空气进入，进行热量交换，也由暖风出口18送出。这样可以保证更多的热量被吸收，减少散失到大气中的热量。

电控系统：

电控系统通过控制单元25实现程序控制和保护功能，并且独立于发动机电控系统，由12V蓄电池供电。控制单元实现电机、电磁阀、电子点火、温度传感器26的控制和保护。

加热器暖风出口与发动机进气管28相连接，当发动机进气加热到一定温度时，停止喷油，可以起动发动机，即将起动钥匙打在“START”位置，这样热空气便被吸入发动机。

对照图9所示的预热装置工作流程。

(1)发动机启动前获得的发动机进气管温度T；

(2)预热装置电控单元将T与预设值T1比较；

(3)当T≥T1时，预热装置不启动，发动机按照常规模式启动；

(4)当T＜T1时，启动电机，延续3秒后点火，电磁阀开，开始；

(5)5秒钟后，点火，燃烧室温度逐渐升高，开始对进气加热；

(6)加热过程中不断获得加热后的进气管温度T；

(7)预热装置电控单元将T与预设值T2比较；

(8)当T≥T2时，电磁阀关，停止向燃烧室喷油；

(9)此时开始启动发动机；

(10)当T＜T2时，继续向燃烧室供油，直至T≥T2。

T1、T2、t均为可调值。其预设值可以为：T1＝10℃、T2＝30℃、t＝3min；

需要说明的是，加热时间主要取决于环境温度，可以实现最佳进气温度的控制，这可以通过软件实现，但是需要有一定量的试验数据。

实施例：

1.在一台排量为1.6L多点电喷汽油机上进行了试验研究。大气环境温度为-2℃，加热器燃油压力3.5bar，进气预热32s。

预热装置在汽油机上进行如图2所示的连接布置，即暖风出口与进气管相连，加热器燃油由汽油泵提供。进气温度由9℃增加到30℃，起动发动机后，进气温度继续升高，1min后可达到84℃，可参见图10。

不管是燃用汽油还是乙醇汽油，进气预热均可使冷起动排放降低，峰值与平均值均下降，可参见图11。燃用汽油时在发动机起动后最初的40s可使在HC和CO分别降低46.0％和36.4％，在同样的时间内燃用乙醇汽油时进气预热可使HC和CO分别降低33.4％和11.1％。

2.在一台排量为1.0L多点电喷汽油机上进行了试验研究。环境温度为-7℃，浸车12h，加热器燃油压力3bar，进气预热1min。

低温冷起动整车排放试验中，测试出的THC和CO排放均比国III、IV标准低温冷起动排放限值要低，分别比限值低14.8％和77.3％，见表1。

表1

  名称  THC(g/km)  CO(g/km)  国III、IV排放限值    2.7    24  测试值    2.3    5.44  判定结果    达标    达标