專利名稱：：汽油機冷起動快速預熱進氣的裝置及方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種實現(xiàn)汽油機冷起動快預熱進氣的裝置及方法，屬于降低汽油機冷起動排放技術。
背景技術：
：在排放循環(huán)測試中，根據(jù)美國環(huán)境保護署的聯(lián)邦政府實驗規(guī)程測試得知，配備三元催化轉(zhuǎn)化器的汽油機近80%的HC、C0排放是在冷起動最初的幾分鐘內(nèi)產(chǎn)生的。汽油機冷起動較高的排放造成了環(huán)境空氣質(zhì)量的嚴重污染。因此，減少汽油機冷起動排放意義很大。進氣預熱是有效降低汽油機冷起動排放的有效措施之一。進氣預熱有集中預熱和分缸預熱兩種。集中式預熱裝置安裝在發(fā)動機的進氣管上，分缸預熱安裝在各氣缸內(nèi)或進氣歧管上，預熱形式主要有電預熱塞、進氣加熱器和電火焰預熱器。電預熱塞主要用于加熱氣缸內(nèi)空氣，主體用鐵鎳鋁合金制成的螺旋型電阻絲，電阻一端焯在中心螺桿上，另一端焊在耐熱不銹鋼制成的發(fā)熱體鋼套低部，螺桿和外殼用瓷質(zhì)絕緣體裝在氣缸上，各缸電熱塞中心螺桿用導線接于電源。發(fā)動機起動前接通電熱塞開關，電流經(jīng)蓄電池"+"—電阻絲一中心螺桿一蓄電池"-"。電阻絲和發(fā)熱體鋼套發(fā)熱變紅，加熱氣缸內(nèi)的空氣，達到順利起動目的。進氣加熱器安裝在進氣口下方，加熱器的發(fā)熱元件是具有正溫度系數(shù)的PTC電熱陶瓷材料，瞬間電流高大40~60A，1min加熱到60~80。C。電火焰預熱器安裝在進氣總管入口，主要由電熱塞和噴油器成，這種預熱裝置除電熱塞產(chǎn)生熱量外，還通過供油裝置向其周圍噴射柴油形成電火焰，以產(chǎn)生更多的熱量。在起動發(fā)動機前，先對火焰電熱塞進行預熱，預熱完成后，起動發(fā)動機后同時電磁閥通電開啟，噴油器將燃油噴向電熱塞形成電火焰。電熱塞預熱一般需要30s甚至更長時間。這三種進氣預熱裝置主要是用于輔助汽油車順利起動，并不是為了降低冷起動排放。而且三種預熱裝置用于汽油機進氣預熱均有一定的缺陷。首先，三者耗電量都很大，這勢必加劇蓄電池消耗，造成蓄電池本身電力下降，對冷起動非常不利，影響其壽命甚至造成起動失敗，直接導致冷起動排放升高，在低溫時更是如此。其次，電加熱器和電火焰預熱器均是局部加熱，進氣溫度不僅受熱不均還會在發(fā)動機起動后下降。另外，電火焰預熱器使用燃料為柴油，不方便用在汽油機上。綜上所述，有必要開發(fā)一套用于降低汽油機冷起動排放的預熱裝置。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種汽油機冷起動快預熱進氣的裝置及方法。該進氣預熱裝置能快速加熱進氣，耗電量少，成本低，系統(tǒng)集成性高，其方法操作運行可靠，進氣預熱技術能改善混合氣形成質(zhì)量，從而有效降低汽油機冷起動排放。本發(fā)明是通過下述技術方案加以實現(xiàn)的。該裝置包括與汽油機進油管路相連的汽油供應及噴射單元、預熱裝置的進氣單元、點火電極、燃燒室、換熱裝置、外殼、溫度傳感器以及電控單元。上述進氣單元包括兩端開口的圓柱形第一保護罩2a;與第一保護罩2—個開口端相連的連接體5，起連接和承載的作用；位于連接體上的氣體通邀30，可使氣體方便地在其連接的兩個腔體之間流通；位于保護罩2內(nèi)，與連接體5—個端面相連的電機4;位于電機4上的風扇1;與圓柱形第一保護罩2a外形尺寸基本相同的第二保護罩2b，一個開口端與連接體5通過螺釘33相連，另一開口端與第一錐形圈10a和第二錐形圈10b通過焊接相連；第一錐形圈10a兩端分別與第二保護罩(2b)和燃燒室內(nèi)壁相連,且開有氣孔36，使風扇1送進的部分空氣進入換熱裝置，最終進入發(fā)動機進氣口；第二錐形圈10b兩端分別與第二保護罩2b和換熱裝置外壁相連,防止換熱器中的氣體倒流；錐形與噴嘴噴出的噴射流體錐形基本一致的導流體12，通過焊接與燃燒室內(nèi)壁相連；在導流體12上開有倒流槽35，供二次風通過,二次風起加強油滴和空氣混合，使燃料進一步燃燒完全并穩(wěn)定燃燒的作用；與導流體12錐形相對的一次風導向體11，通過焊接與導流體12的另一端相連，一次風導向體ll的四周對稱地分布著一次風口34,供一次風通過，一次風為初期著火提供可燃混合氣并減少炭黑生成。上述一次風導向體11的一次風口和導流體12上開有倒流槽35的空氣流量最佳比例為44:56。上述汽油供應及噴射單元包括與電機4相對，固定在連接體5另一個端面，噴射流體外形為空心圓錐的低壓噴油嘴8;位于噴油嘴8后端的電磁閥7,用于控制燃油的通斷。上述燃燒室包括圓柱形芯簡14;位于芯簡內(nèi)壁的錐形擋板13，延長燃氣駐留時間，使燃燒更加充分。上述換熱裝置由兩個同軸心等高圓簡嵌套而成，內(nèi)筒端面為開口端，內(nèi)簡與外簡形成的夾層端面通過焊接密封；換熱裝置15與燃燒室的圓柱形芯簡基本同軸心，二者通過煙氣通道17連通；上述換熱裝置的外簡有一廢氣排放口19，燃燒室的煙氣經(jīng)煙氣通道17,進入內(nèi)外簡夾層，最后經(jīng)廢氣排放口19進入排氣管。上述外殼罩在換熱裝置外部，并與換熱裝置之間形成空氣夾層，外殼靠近噴嘴側(cè)一端為開口端，供冷空氣進入，另一端為暖風出口18,與發(fā)動機進氣口相連，外殼通過螺釘固定在換熱裝置外簡上。上述溫度傳感器置于發(fā)動機進氣管上。上述電控單元25獨立于發(fā)動機電控系統(tǒng)，控制單元實現(xiàn)電機4、電磁閥7、點火電極9、溫度傳感器26的控制和保護。一種汽油機冷起動過程快速預熱進氣的方法，該方法包括以下步驟(1)發(fā)動機啟動前獲得的發(fā)動機進氣管溫度T;(2)預熱裝置電控單元將T與預設值T1比較；(3)當T>T1時，預熱裝置不啟動，發(fā)動機按照常規(guī)模式啟動；(4)當T〈T1時，啟動電機，延續(xù)3秒后點火，電磁閥開，開始；(.5)5秒鐘后，點火，燃燒室溫度逐漸升高，開始對進氣加熱;(6)加熱過程中不斷獲得加熱后的進氣管溫度T;(7)預熱裝置電控單元將T與預設值T2比較；(8)當T》T2時，電磁閩關，停止向燃燒室噴油；(9)此時開始啟動發(fā)動機；(10)當KT2時，繼續(xù)向燃燒室供油，直至T^T2。該裝置在燃油濾清器后的進油管路上設置一個三通閥，使裝置能燃用來自汽油泵的燃油，燃油經(jīng)過噴嘴并在氣流作用下霧化，并用高壓點火點燃，燃燒放出的熱量用于預熱冷空氣，發(fā)動機起動后，熱空氣被吸入發(fā)動機。本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術，具有如下優(yōu)點本發(fā)明的優(yōu)點在于，使用低壓噴射汽油高壓點火方式，能快速預熱進氣，耗電量小，能有效減少冷起動排放。采用本發(fā)明的裝置可以方便地對現(xiàn)有和新開發(fā)的汽油機進行改裝，系統(tǒng)造價成本低。圖l為本發(fā)明裝置結(jié)構示意圖；圖2為本發(fā)明應用于汽油機的框圖3噴油嘴結(jié)構圖4為本發(fā)明連接體圖5為本發(fā)明一.次風導向體主視圖(左)和俯視圖(右)；圖6為本發(fā)明導流體圖7為本發(fā)明第一錐形圈圖8為本發(fā)明燃燒室芯簡內(nèi)壁擋板圖9為本發(fā)明裝置工作流程圖10為發(fā)動機冷起動進氣溫度變化圖11為發(fā)動機冷起動排放變化表1為整車低溫冷起動排放對比；圖中1為風扇，2a為第一保護罩，2b為第二保護罩，3為點火線圈，4為電機，5為連接體，6為進油管，7電磁閥，8為噴油嘴，9為點火電極，10a為第一錐形圈，10b為第二錐形圈，ll為一次風導向體，12為導流體，13燃燒室芯簡內(nèi)壁擋板，14為燃燒室，15為換熱裝置，16為外殼，17為煙氣通道，18為暖風出口，19為廢氣排放口，20為汽油泵，21為燃油濾清器，22為三通閥，23為加熱器，24為其它信號，25為加熱器控制單元，26為進氣溫度傳感器，27為空氣濾清器，28為發(fā)動機進氣管，29為發(fā)動機。具體實施例方式汽油供應及噴射單元對照圖2,根據(jù)汽油機的控制策略，起動前汽油泵20已經(jīng)開始工作，起動鑰匙處于"ON"位置，進油管中充滿燃油。因此，可借助于汽油泵作為加熱器23燃料供應裝置。在發(fā)動機29進油管路中燃油濾清器21之后設置三通閥22,—定壓力的燃油通過進油管6進入噴油嘴8，并由電磁閥7控制燃油通斷，噴油嘴用螺釘固定于連接體5。該噴嘴特征是噴霧形狀為空心圓錐形，噴射貫穿距離短，噴霧錐角較大。在噴油壓力一定的條件下，燃油流量一定。本裝置實現(xiàn)了低壓噴射，充分利用了汽油機本身裝置，不需要額外配置噴油泵，減少了本發(fā)明裝置的復雜程度，節(jié)約了制造成本。進氣單元該裝置釆用一個電機4驅(qū)動一個風扇1，用于提供助燃風和冷卻風。電機釆用螺釘32固定于連接體5，連接體與第一保護罩2a、第二保護罩2b用螺釘32、33連接。新鮮空氣經(jīng)過連接體氣體通道30。其中助燃風又分為一次風和二次風。沿一次風導向體11四周開有8個長方形一次風口34，一次風導向體與導流體12通過焊接連接。在導流體11上開有6個導流槽35，二次風經(jīng)過導流槽進入燃燒室14，導流體焊接在燃燒室內(nèi)壁上。一次風主要是為初期著火提供可燃混合氣并減少炭黑生成；二次風(旋流風)加強油滴和空氣混合，使燃料進一步燃燒完全并穩(wěn)定燃燒。一次風和二次風的最佳比例為44:56?；旌蠚庠谌紵抑腥紵瑥U氣經(jīng)過2個圓柱形煙氣通道17,經(jīng)過換熱層，最后由廢氣排放口19排出。點火系統(tǒng)在一次風和二次風的作用下，燃油由噴油嘴噴出后并與空氣充分混合，由點火線圈3輸送能量通過點火電極9點燃混合氣。這樣就實現(xiàn)了即噴即著的功能，達到快速起燃的目的。燃燒系統(tǒng)燃燒主要在燃燒室中進行的，燃燒室14為圓柱形芯簡，設有擋板13,使燃氣駐留時間長，充分燃燒。換熱系統(tǒng)由風扇提供的冷卻風，通過第一錐形圏10a上的氣孔36，進入換熱裝置15，由暖風出口18送出。第二錐形圏10b通過焊接方式連接換熱裝置15外壁與第二保護罩2b,換熱器與外殼用螺釘連接，暖風出口與外殼用螺釘連接。另外，換熱器外壁與外殼之間形成另外換熱夾層，并有冷空氣進入，進行熱量交換，也由暖風出口18送出。這樣可以保證更多的熱量被吸收，減少散失到大氣中的熱量。電控系統(tǒng)電控系統(tǒng)通過控制單元25實現(xiàn)程序控制和保護功能，并且獨立于發(fā)動機電控系統(tǒng)，由12V蓄電池供電?？刂茊卧獙崿F(xiàn)電機、電磁閥、電子點火、溫度傳感器26的控制和保護。加熱器暖風出口與發(fā)動機進氣管28相連接，當發(fā)動機進氣加熱到一定溫度時，停止噴油，可以起動發(fā)動機，即將起動鑰匙打在"START"位置，這樣熱空氣便被吸入發(fā)動機。對照圖9所示的預熱裝置工作流程。(1)發(fā)動機啟動前獲得的發(fā)動機進氣管溫度T;(2)預熱裝置電控單元將T與預設值T1比較；(3)當T^T1時，預熱裝置不啟動，發(fā)動機按照常規(guī)模式啟動;(4)當T<T1時，啟動電機，延續(xù)3秒后點火，電磁閥開，開始;(5)5秒鐘后，點火，燃燒室溫度逐漸升高，開始對進氣加熱;(6)加熱過程中不斷獲得加熱后的進氣管溫度T;(7)預熱裝置電控單元將T與預設值T2比較；(8)當T》T2時，電磁閥關，停止向燃燒室噴油；(9)此時開始啟動發(fā)動機；(10)當T〈T2時，繼續(xù)向燃燒室供油，直至T^n。Tl、T2、t均為可調(diào)值。其預設值可以為T1=10°C、T2=30。C、t=3min;需要說明的是，加熱時間主要取決于環(huán)境溫度，可以實現(xiàn)最佳進氣溫度的控制，這可以通過軟件實現(xiàn)，但是需要有一定量的試驗數(shù)據(jù)。實施例1.在一臺排量為1.6L多點電噴汽油機上進行了試驗研究。大氣環(huán)境溫度為-2°C,加熱器燃油壓力3.5bar,進氣預熱32s。預熱裝置在汽油機上進行如圖2所示的連接布置，即暖風出口與進氣管相連，加熱器燃油由汽油泵提供。進氣溫度由9匸增加到30°C，起動發(fā)動機后，進氣溫度繼續(xù)升高，1min后可達到84°C，可參見圖10。不管是燃用汽油還是乙醇汽油，進氣預熱均可使冷起動排放降低，峰值與平均值均下降，可參見圖11。燃用汽油時在發(fā)動機起動后最初的40s可使在HC和CO分別降低46.0%和36.4%,在同樣的時間內(nèi)燃用乙醇汽油時進氣預熱可使HC和CO分別降低".4%和11.1%。2.在一臺排量為1.0L多點電噴汽油機上進行了試驗研究。環(huán)境溫度為-7。C,浸車12h,加熱器燃油壓力3bar,進氣預熱1min。低溫冷起動整車排放試驗中，測試出的THC和CO排放均比國ni、IV標準低溫冷起動排放限值要低，分別比限值低14.8%和77.3%,見表1。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>權利要求1、一種汽油機冷起動過程快速預熱進氣的裝置，其特征在于該裝置包括與汽油機進油管路相連的汽油供應及噴射單元、預熱裝置的進氣單元、點火電極、燃燒室、換熱裝置、外殼、溫度傳感器以及電控單元。2、如權利要求1所述一種汽油機冷起動過程快速預熱進氣的裝置，其特征在于，所述進氣單元包括兩端開口的圓柱形第一保護罩(2a);與第一保護罩(2)—個開口端相連的連接體(5)，起連接和承載的作用；位于連接體上的氣體通道(30),可使氣體方便地在其連接的兩個腔體之間流通；位于第一保護罩(2)內(nèi)，與連接體(5)—個端面相連的電機(4);位于電機(4)上的風扇(1);與第一保護罩(2)外形尺寸基本相同的第二保護罩(2b)，一個開口端與連接體(5)通過螺釘(33)相連，另一開口端與第一錐形圈(10a)和第二錐形圈U0b)通過焊接相連；第一錐形圈(10a)兩端分別與第二保護罩(乃)和燃燒室內(nèi)壁相連，且開有氣孔(36)，使風扇(1)送進的部分空氣進入換熱裝置，最終進入發(fā)動機進氣口；第二錐形圈(10b)兩端分別與第二保護罩(2b)和換熱裝置外壁相連，防止換熱器中的氣體倒流；錐形與噴嘴噴出的噴射流體錐形基本一致的導流體(12),通過焊接與燃燒室內(nèi)壁相連，在導流體(")上開有倒流槽(35)，供二次風通過，二次風起加強油滴和空氣混合，使燃料進一步燃燒完全并穩(wěn)定燃燒的作用；與導流體(12)錐形相對的一次風導向體(11)，通過焊接與導流體(12)的另一端相連，一次風導向體(11)的四周對稱地分布著一次風口(34),供一次風通過，一次風為初期著火提供可燃混合氣并減少炭黑生成。3、如權利要求2所述一種汽油機冷起動過程快速預熱進氣的裝置，其特征在于，所述一次風導向體(ll)的一次風口和導流體(12)上開有倒流槽(35)的空氣流量比例為44:56。4、如權利要求1所述一種汽油機冷起動過程快速預熱進氣的裝置，其特征在于，所述汽油供應及噴射單元包括與電機(4)相對，固定在連接體(5)另一個端面，噴射流體外形為空心圓錐的低壓噴油嘴(8);位于噴油嘴(8)后端的電磁閥(7)，用于控制燃油的通斷。5、如權利要求1所述一種汽油機冷起動過程快速預熱進氣的裝置，其特征在于，所述燃燒室包括圓柱形芯簡(14);位于芯簡內(nèi)壁的錐形擋板(13)，延長燃氣駐留時間，使燃燒更加充分。6、如權利要求1所述一種汽油機冷起動過程快速預熱進氣的裝置，其特征在于所述換熱裝置由兩個同軸心等高圓簡嵌套而成，內(nèi)簡端面為開口端，內(nèi)簡與外簡形成的夾層端面通過焊接密封；換熱裝置(15)與燃燒室的圓柱形芯簡基本同軸心，二者通過煙氣通道(17)連通；所述換熱裝置的外簡有一廢氣排放口(19),燃燒室的煙氣經(jīng)煙氣通道(17)，進入內(nèi)外簡夾層，最后經(jīng)廢氣排放口U9)進入排氣管。7、如權利要求1所述一種汽油機冷起動過程快速預熱進氣的裝置，其特征在于所述外殼罩在換熱裝置外部，并與換熱裝置之間形成空氣夾層，外殼靠近噴嘴側(cè)一端為開口端，另一端與發(fā)動機進氣口相連，外殼通過螺釘固定在換熱裝置外筒上。8、如權利要求1所述一種汽油機冷起動過程快速預熱進氣的裝置，其特征在于所述溫度傳感器置于發(fā)動機進氣管上。9、如權利要求1所述一種汽油機冷起動過程快速預熱進氣的裝置，其特征在于所述電控單元(25)獨立于發(fā)動機電控系統(tǒng)，控制單元實現(xiàn)電機(4)、電磁閥(7)、點火電極(9)、溫度傳感器(26)的控制和保護。10、一種汽油機冷起動過程快速預熱進氣的方法，其特征在于該方法包括以下步驟(1)發(fā)動機啟動前獲得的發(fā)動機進氣管溫度T;(2)預熱裝置電控單元將T與預設值T1比較；(3)當T^T1時，預熱裝置不啟動，發(fā)動機按照常規(guī)模式啟動；(4)當T〈T1時，啟動電機，延續(xù)3秒后點火，電磁閥開，開始；(5)5秒鐘后，點火，燃燒室溫度逐漸升高，開始對進氣加熱;(6)加熱過程中不斷獲得加熱后的進氣管溫度T;(7)預熱裝置電控單元將T與預設值T2比較；(8)當T》T2時，電磁閥關，停止向燃燒室噴油；(9)此時開始啟動發(fā)動機；(10)當T〈H時，繼續(xù)向燃燒室供油，直至T^T2。全文摘要本發(fā)明涉及一種實現(xiàn)汽油機冷起動快預熱進氣的裝置及方法，該裝置包括汽油供應及噴射單元、預熱裝置的進氣單元、點火電極、燃燒室、換熱裝置、外殼、溫度傳感器以及電控單元。該方法步驟為啟動前獲得進氣管溫度T；T與預設值T1比較；當T≥T1時，發(fā)動機按照常規(guī)模式啟動；當T＜T1時，啟動電機，延續(xù)3秒后點火，電磁閥開，開始；5秒鐘后，點火，開始對進氣加熱；獲得加熱后的進氣管溫度T；將T與預設值T2比較；當T≥T2時，停止向燃燒室噴油；啟動發(fā)動機；當T＜T2時，繼續(xù)向燃燒室供油，直至T≥T2。文檔編號F02N19/06GK101113712SQ20071005752公開日2008年1月30日申請日期2007年6月4日優(yōu)先權日2007年6月4日發(fā)明者倪培永,姚春德,孔炯炯,楊廣峰,偉王,白玉明,鈺黃申請人:天津大學;河北宏業(yè)機械股份有限公司