專利名稱：：汽油機冷起動快速預(yù)熱進氣的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種實現(xiàn)汽油機冷起動快預(yù)熱進氣的裝置及方法，屬于降低汽油機冷起動排放技術(shù)。
背景技術(shù)：
：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(yán)重污染。因此，減少汽油機冷起動排放意義很大。進氣預(yù)熱是有效降低汽油機冷起動排放的有效措施之一。進氣預(yù)熱有集中預(yù)熱和分缸預(yù)熱兩種。集中式預(yù)熱裝置安裝在發(fā)動機的進氣管上，分缸預(yù)熱安裝在各氣缸內(nèi)或進氣歧管上，預(yù)熱形式主要有電預(yù)熱塞、進氣加熱器和電火焰預(yù)熱器。電預(yù)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(dǎo)線接于電源。發(fā)動機起動前接通電熱塞開關(guān)，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(yù)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(yù)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(yù)熱，預(yù)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(yù)熱一般需要30s甚至更長時間。這三種進氣預(yù)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(yù)熱裝置用于汽油機進氣預(yù)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(dǎo)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(yù)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(yù)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(yù)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(yù)熱進氣的裝置及方法。該進氣預(yù)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(yù)熱技術(shù)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(shù)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(yīng)及噴射單元、預(yù)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(fēng)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(fēng)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(dǎo)流體12，通過焊接與燃燒室內(nèi)壁相連；在導(dǎo)流體12上開有倒流槽35，供二次風(fēng)通過,二次風(fēng)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(dǎo)流體12錐形相對的一次風(fēng)導(dǎo)向體11，通過焊接與導(dǎo)流體12的另一端相連，一次風(fēng)導(dǎo)向體ll的四周對稱地分布著一次風(fēng)口34,供一次風(fēng)通過，一次風(fēng)為初期著火提供可燃混合氣并減少炭黑生成。上述一次風(fēng)導(dǎo)向體11的一次風(fēng)口和導(dǎo)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(yīng)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(fēng)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(yù)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(yù)熱裝置電控單元將T與預(yù)設(shè)值T1比較；(3)當(dāng)T>T1時，預(yù)熱裝置不啟動，發(fā)動機按照常規(guī)模式啟動；(4)當(dāng)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(yù)熱裝置電控單元將T與預(yù)設(shè)值T2比較；(8)當(dāng)T》T2時，電磁閩關(guān)，停止向燃燒室噴油；(9)此時開始啟動發(fā)動機；(10)當(dāng)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(shè)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(yù)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(shù)，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(yù)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(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明應(yīng)用于汽油機的框圖3噴油嘴結(jié)構(gòu)圖4為本發(fā)明連接體圖5為本發(fā)明一.次風(fēng)導(dǎo)向體主視圖(左)和俯視圖(右)；圖6為本發(fā)明導(dǎo)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(fēng)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(fēng)導(dǎo)向體，12為導(dǎo)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(fēng)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(yīng)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(yīng)裝置。在發(fā)動機29進油管路中燃油濾清器21之后設(shè)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(fù)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(fēng)扇1，用于提供助燃風(fēng)和冷卻風(fēng)。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(fēng)又分為一次風(fēng)和二次風(fēng)。沿一次風(fēng)導(dǎo)向體11四周開有8個長方形一次風(fēng)口34，一次風(fēng)導(dǎo)向體與導(dǎo)流體12通過焊接連接。在導(dǎo)流體11上開有6個導(dǎo)流槽35，二次風(fēng)經(jīng)過導(dǎo)流槽進入燃燒室14，導(dǎo)流體焊接在燃燒室內(nèi)壁上。一次風(fēng)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(fēng)(旋流風(fēng))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(fēng)和二次風(fēng)的最佳比例為44:56。混合氣在燃燒室中燃燒，廢氣經(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(fēng)和二次風(fēng)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(shè)有擋板13,使燃氣駐留時間長，充分燃燒。換熱系統(tǒng)由風(fēng)扇提供的冷卻風(fēng)，通過第一錐形圏10a上的氣孔36，進入換熱裝置15，由暖風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)出口與發(fā)動機進氣管28相連接，當(dāng)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(yù)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(yù)熱裝置電控單元將T與預(yù)設(shè)值T1比較；(3)當(dāng)T^T1時，預(yù)熱裝置不啟動，發(fā)動機按照常規(guī)模式啟動;(4)當(dāng)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(yù)熱裝置電控單元將T與預(yù)設(shè)值T2比較；(8)當(dāng)T》T2時，電磁閥關(guān)，停止向燃燒室噴油；(9)此時開始啟動發(fā)動機；(10)當(dāng)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(yù)設(shè)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(yù)熱32s。預(yù)熱裝置在汽油機上進行如圖2所示的連接布置，即暖風(fēng)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(yù)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(yù)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(yù)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(biāo)準(zhǔn)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(quán)利要求1、一種汽油機冷起動過程快速預(yù)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(yīng)及噴射單元、預(yù)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(quán)利要求1所述一種汽油機冷起動過程快速預(yù)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(fēng)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(fēng)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(dǎo)流體(12),通過焊接與燃燒室內(nèi)壁相連，在導(dǎo)流體(")上開有倒流槽(35)，供二次風(fēng)通過，二次風(fēng)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(dǎo)流體(12)錐形相對的一次風(fēng)導(dǎo)向體(11)，通過焊接與導(dǎo)流體(12)的另一端相連，一次風(fēng)導(dǎo)向體(11)的四周對稱地分布著一次風(fēng)口(34),供一次風(fēng)通過，一次風(fēng)為初期著火提供可燃混合氣并減少炭黑生成。3、如權(quán)利要求2所述一種汽油機冷起動過程快速預(yù)熱進氣的裝置，其特征在于，所述一次風(fēng)導(dǎo)向體(ll)的一次風(fēng)口和導(dǎo)流體(12)上開有倒流槽(35)的空氣流量比例為44:56。4、如權(quán)利要求1所述一種汽油機冷起動過程快速預(yù)熱進氣的裝置，其特征在于，所述汽油供應(yīng)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(quán)利要求1所述一種汽油機冷起動過程快速預(yù)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(quán)利要求1所述一種汽油機冷起動過程快速預(yù)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(quán)利要求1所述一種汽油機冷起動過程快速預(yù)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(quán)利要求1所述一種汽油機冷起動過程快速預(yù)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(quán)利要求1所述一種汽油機冷起動過程快速預(yù)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(yù)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(yù)熱裝置電控單元將T與預(yù)設(shè)值T1比較；(3)當(dāng)T^T1時，預(yù)熱裝置不啟動，發(fā)動機按照常規(guī)模式啟動；(4)當(dāng)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(yù)熱裝置電控單元將T與預(yù)設(shè)值T2比較；(8)當(dāng)T》T2時，電磁閥關(guān)，停止向燃燒室噴油；(9)此時開始啟動發(fā)動機；(10)當(dāng)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(yù)熱進氣的裝置及方法，該裝置包括汽油供應(yīng)及噴射單元、預(yù)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(yù)設(shè)值T1比較；當(dāng)T≥T1時，發(fā)動機按照常規(guī)模式啟動；當(dāng)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(yù)設(shè)值T2比較；當(dāng)T≥T2時，停止向燃燒室噴油；啟動發(fā)動機；當(dāng)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(quán)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(xué);河北宏業(yè)機械股份有限公司