汽车冷启动的甲醇/乙醇驻涡微燃烧器预热进气法和装置的制作方法

文档序号:5245816阅读:228来源:国知局
专利名称:汽车冷启动的甲醇/乙醇驻涡微燃烧器预热进气法和装置的制作方法
技术领域
本发明涉及内燃机技术领域,是一种汽车冷启动的甲醇/乙醇驻涡微 燃烧器预热进气法和装置。
背景技术
驻涡燃烧器是国际上从1990年代开始研究的新型的主要希望运用于 燃气轮机中的技术。通过在机中的驻涡来稳定燃烧,从而代替结构和调节 复杂的旋流器。结构上是通过在燃机燃烧室内的空腔形成驻涡发生器,使 从燃烧室来的燃料、空气和燃气进入空腔后形成涡流,燃烧室中的部分燃 料在稳定的驻涡流动结构中很快混合和燃烧。在涡的运动中,高温烟气不 断被排出,而低温燃料和空气不断被巻入,从而维持了燃烧能够持续稳定 的发生。从驻涡发生器这一稳定燃烧区域出来的热烟气作为高温源,进--步点燃燃机其余部分的燃料的燃烧,从而使得整个燃烧室稳定的燃烧。
汽车工业的发展面临着石油短缺和环境污染两大问题,科学家们形成 的共识是使用甲醇/乙醇等醇类燃料作为石油替代燃料。石油势必要用更 大量、更优良、更清洁、更廉价的高硫煤制得的醇醚氢燃料代替,这不仅 是必然的趋势,而且己十分紧迫。国外在石油危机后已经研究各种代用燃 料。美国能源研究和发展署认为"甲醇是最有希望的代用燃料,可用煤 制造,工艺已达到大量生产的程度,适用于内燃机,是清洁的燃料。"由 美、日、英、德、法、意和瑞典汽车工业强国共同研究的"汽车的未来" 认为"甲醇是有希望的汽车燃料,比较容易控制污染。可用煤做原料。" 同时,国际上也大量的在应用乙醇汽车,巴西、美国和欧盟都有很多乙醇 汽车在运行。
纯醇类燃料作为汽车的燃料,实际使用中最大的技术障碍是燃烧纯醇 类燃料时的冷机启动问题。冷机启动是任何汽车发动机都存在的问题。在 低温下,燃料蒸发困难造成发动机不易着火启动。另外,在暖机过程(发
动机从启动到冷却水上升到正常温度的过程)中,由于燃料燃烧不完全, 排气温度低以及发动机零部件的配合间隙不正常等原因,造成烃类和一氧 化碳排放量是正常值的十余倍,零部件磨损加剧和润滑油被稀释变质等问 题,这些问题严重影响发动机的性能和使用寿命。为了解决冷启动问题, 汽油机在启动时喷入多余的燃料、形成浓混合气,但这造成排气中烃类含 量增高和燃料流入曲轴箱稀释润滑油等负面效应,而暖机过程中发动机磨 损和性能下降问题并不能解决。醇类燃料的初馏点低、汽化潜热数倍于汽 油,例如对于甲醇饱和蒸汽压力只有汽油的约二分之一、在发动机功率不
变的情况下燃料流量是汽油的大约二倍。乙醇的蒸发潜热是汽油的2倍多, 由于蒸发潜热大,蒸发时所吸收的热量多,导致发动机进气管的温度急剧 下降,更加恶化了进气蒸发条件,故在冷起动时,只有少量的乙醇才能蒸 发,若蒸发形成的可燃混合气浓度达不到着火浓度下限,则混合气不能着 火燃烧,发动机冷起动困难。这些原因造成甲醇/乙醇燃料蒸发困难,在 冷启动时不能形成合适比例的混合气。因此,使用乙醇燃料的发动机较使 用汽油的发动机冷起动更加困难。
对M85甲醇机的实验表明采取在甲醇中掺入汽油以提高燃料的饱和蒸 汽压力、在进气管增加电加热装置以促进燃料蒸发等方法,能够实现在 -15。C启动,但尽管醇类燃料机使用特殊润滑油,燃料进入曲轴箱造成的 润滑油变质问题非常严重,这种损害主要发生在启动和暖机过程中,严重 影响发动机的寿命。如果用M85机燃烧纯醇燃料,发动机在4。C以下就不 能启动。如果不解决这个问题,M85机燃烧纯醇燃料就不可能实用化。
如果在发动机点火时汽缸内形成混合比接近化学当量比的燃料-空气 混合气,发动机就能顺利启动。要实现这种状况,需要使喷入发动机进气 道的大部分燃料在火花塞点火前蒸发气化。在燃料性质、燃料液滴的初始 尺寸和进气流动参数都确定的情况下(喷油嘴、进气道参数和发动机的启 动转速已由发动机制造商确定,看作不可变因素),提高进气温度是促进 燃料气化最有效的途径。利用电加热装置预热进气道的局部,辅助燃料蒸 发,这种方法对发动机的冷启动有帮助,但不能缩短暖机时间。而且电加 热的能量来自汽车电瓶,对于纯甲醇发动机,电瓶提供的能量远远不能同 时满足冷启动时启动马达运转和加热混合气的需求。

发明内容
本发明的目的是提供一种汽车冷启动的甲醇/乙醇驻涡微燃烧器预热 进气法和装置,通过这种方法的利用,可以克服甲醇/乙醇燃料在汽车中 应用的困难,解决上面提到的甲醇/乙醇汽车的冷启动问题。
为达到上述目的,本发明的技术解决方案是 --种用于汽车冷启动的 甲醇/乙醇驻涡微燃烧器预热进气方法,其通过甲醇/乙醇燃料在进气管内 的驻涡微尺度燃烧器中燃烧产生高温烟气,然后与发动机进气混合,从而 提高进气温度,解决汽车的冷启动问题。
所述的预热进气方法,其包括下列步骤
51、 液体甲醇/乙醇燃料首先在流经预热蒸发器通道时,被预热蒸发 为气体,通过内喷嘴后,形成甲醇/乙醇蒸汽射流;
52、 蒸汽射流喷射到驻涡微尺度燃烧器的驻涡发生器内,和从进气口 流入的空气在此发生化学反应,扩散燃烧,产生高温烟气;
53、 扩散燃烧通过驻涡发生器产生的驻涡来稳定;
54、 高温烟气从出气口出来与未进入驻涡发生器的主气流冷空气混
合,使得燃机进气温度比较均匀,大幅提高了进气温度;
55、 将预热的进气送入汽车进气歧管,为燃机提供较高温度的进气从
而解决冷启动问题。
一种所述的预热进气方法使用的预热发动机进气的装置,其位于空气 滤清器之后、进气歧管之前,包括预热蒸发器和驻涡微尺度微燃烧器,其 中,预热蒸发器包括支撑部件、加热装置和燃料通道,通过加热装置对燃 料通道内的甲醇/乙醇燃料加热,使甲醇/乙醇由液态变为气态进入驻涡发
生器;驻涡微尺度燃烧器包括电子点火器、驻涡发生器及燃烧室。
所述的装置,其为长形管状,其一端为进口A,与空气滤清器的出口
连通,另一端出口B与汽车进气歧管连通;
装置内部的通道中装有支撑部件,支撑部件中心,位于内部的通道中
轴线上固接有驻涡发生器,驻涡发生器的渐縮式进气口朝向进口 A,其渐
扩式出气口朝向出口B;驻涡发生器的出气口、支撑部件与预热进气装置
侧壁包容的空间构成燃烧室;驻涡发生器的管壁与支撑部件固接,在驻涡发生器管壁上的相对应两 侧,于支撑部件内部设有微通道, 一侧是点火导线通道,另一侧是燃料通
道,两通道的内口与驻涡发生器的内腔相通
点火导线通道内有点火导线,点火导线从点火导线通道外口由预热进 气装置侧面引出,通道内口处固接有电子点火器,电子点火器的点火电极 伸入驻涡发生器的通道内,正对着燃料通道内喷嘴;燃料通道壁外侧周圆 设有加热装置,燃料通道外口位于预热进气装置侧面,以管道与燃料源相 通连。
所述的装置,其所述支撑部件,为轮辐式结构,为三辐式、四辐式或 带有通孔的圆辐式。
所述的装置,其所述电子点火器和加热装置,分别与汽车蓄电池电连接。
所述的装置,其所述燃料通道外口以管道与燃料源相通连,在用于甲
醇/乙醇汽车的辅助点火时,通过管路和油泵与车内的油箱相通连;在用
于柴油车冷启动时,通过管路与附带的甲醇/乙醇燃料容器相通连;或利用乙醚液体燃料作为预热进气的燃料。
本发明利用醇类燃料自身燃烧放出的热量加热发动机的进气,采用驻 涡微尺度燃烧器燃烧的技术路线,从而为了克服上面提到的困难。因为用 微尺度燃烧器燃烧燃料少,很少的启动能量就能够将它点燃,而且微尺度 燃烧器的尺寸小,可以安装在汽车的进气管道中间。燃烧的稳定是通过驻 涡发生器实现的,因为在微小型的燃烧结构中,像旋流器等稳定燃烧的设 备结构复杂,从加工和安装上都很难实现。而驻涡发生器结构简单,同时 稳定燃烧效果良好。
本发明与现有技术相比,其有益效果为
1、 不会造成像加注冷启动液和火焰预热启动所带来的加剧机件磨 损的问题。
2、 比燃油加热器加热法结构简单,比热水预热法操作方便。
3、 比电预热法节省能源,不会造成大量电能的消耗,使得电瓶能
够正常供应足够的电能。
4、 如果采用针对于柴油机的中国发明专利申请号为200410030843. 2的方法,结构相对复杂。而本发明结构简单,而且 对传统汽车的改造也很方便。


图1:本发明汽车冷启动的甲醇/乙醇驻涡微燃烧器预热进气法和装置 示意图2:本实用新型用于汽车冷启动的甲醇/乙醇驻涡微燃烧器预热进气 装置中支撑部件的轴向示意图。
具体实施例方式
本发明利用驻涡燃烧的原理提供了一种发动机进气预热方法和设计 了预热装置,从而解决了甲醇/乙醇汽车的冷启动问题。
本发明用醇类燃料自身燃烧放出的热量加热发动机的进气,不但可以 保证发动机冷启动,而且能够大幅度缩短发动机的暖机时间,解决燃料进 入曲轴箱导致的润滑油变质问题,延长发动机的使用寿命。
尽管燃烧甲醇/乙醇的进气预热装置具有上述优越性,但这种方法在 技术上面临以下困难第一,要求燃烧器在低温下能够顺利启动;第二, 要求燃烧器和换热器的尺寸足够小,能够布置在轿车发动机的机舱内,并 且不影响发动机的日常维护保养;第三,要求装置结构简单,工作稳定可 靠,造价低廉,适合作为批量生产的汽车发动机的附件。
下面结合附图和具体实施例进一步详细描述本发明。
实施例1
本发明汽车冷启动的甲醇/乙醇驻涡微燃烧器预热进气法和装置示意 图,如图1和图2所示。
本发明提供的用于汽车冷启动的甲醇/乙醇驻涡微尺度燃烧器预热进 气装置包括预热蒸发器和驻涡微尺度微燃烧器。其中,预热蒸发器由支撑
部件4、加热装置11和燃料通道12组成,通过加热装置11对燃料通道 12内的甲醇/乙醇燃料加热,使甲醇/乙醇由液态变为气态由喷嘴10进入 驻涡发生器5。驻涡微尺度燃烧器由电子点火器3、驻涡发生器5及燃烧 室7组成。
本发明的用于汽车冷启动的甲醇/乙醇驻涡微尺度燃烧器预热进气装
置为长形管状,其一端为进口 A,与空气滤清器的出口连通,另一端出口 B与汽车进气歧管连通。
驻涡微尺度燃烧器预热进气装置内部的通道中装有支撑部件4,支撑 部件4为轮辐式结构,可为三辐式、四辐式或带有通孔的圆辐式,本实施 例为三辐式。支撑部件4中心,位于内部的通道中轴线上固接有驻涡发生 器5,驻涡发生器5的渐縮式进气口 8朝向进口 A,其渐扩式出气口6朝 向出口B;驻涡发生器5的出气口6、支撑部件4与预热进气装置侧壁13 包容的空间构成燃烧室7。
驻涡发生器5的管壁与支撑部件4固接,在驻涡发生器5管壁上的相 对应两侧,于支撑部件4内部设有微通道, 一侧是点火导线通道2,另一 侧是燃料通道12,两通道2、 12的内口与驻涡发生器5的内腔相通。点火 导线通道2内有点火导线,点火导线从点火导线通道2外口由预热进气装 置侧面引出,通道2内口处固接有电子点火器3,电子点火器3的点火电 极9伸入驻涡发生器5的通道内,正对着燃料通道12内喷嘴10;燃料通
道12壁外侧设有加热装置11,燃料通道12外口位于预热进气装置侧面, 以管道与甲醇/乙醇燃料源相通连。
本发明的甲醇/乙醇驻涡微尺度燃烧器预热进气装置位于进气歧管之 前,通过它的作用,提高进入燃机机体的空气进口温度,达到在环境温度 较低的情况下快速启动的目的。
在预热进气装置中,经过空气滤清器净化后的空气进入进气管,部分 空气通过微燃烧器的进气通道进入微燃烧器,在预热蒸发器中蒸发后的甲 醇/乙醇与这部分空气混合点燃,产生高温烟气。甲醇/乙醇的蒸发是通过 加装的电加热设备来实现的,由于甲醇/乙醇的沸点在常压下较低,对于 甲醇为64. 7'C,对于乙醇为78.18'C,蒸发它需要较少的热能就可以实现。
由于蒸发器需要蒸发的甲醇/乙醇量较少,从而消耗电瓶的电能较少。 燃烧器7通过点火器3的点火电极9来实现点火。
在汽车点火启动中,冷空气经过空气滤清器的净化进入本发明中的进 气预热装置,在预热装置中,部分空气通过微燃烧器的进气口8进入微燃 烧器,在预热蒸发器中蒸发后的甲醇/乙醇从喷嘴10中喷出,在点火电极
9的点燃启动后,与这部分空气混合点燃,产生高温烟气。为了维持燃烧 的稳定发生,驻涡发生器5设计在燃料和空气混合区下部,高温高速的燃 气或火焰在驻涡发生器中形成稳定的驻涡,从而使燃烧器形成稳定的火 焰。驻涡微尺度燃烧器中的进气口 8和出气口 6设计为喇叭型,进气口 8 设计为渐縮型是为了能够使较多的空气进入微尺度燃烧器,从而满足燃料 燃烧的空气量的要求,出气口 6设计为渐扩型是为了更好的混合燃烧后的 高温烟气和冷空气,从而能够使得汽车燃机进气温度分布比较均匀。燃烧 后的高温烟气和进气管中的其余冷空气混合,从而提高了进入进气歧管及 燃机机体的空气的温度,使得冷启动实现。
最后,还需要注意的是,以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然, 本发明不限于以上实施例,还可以有许多变形。
本发明可用其他的不违背本发明的精神和主要特征的具体形式来概 述。因此,本发明的上述实施方案都只能认为是对本发明的说明而不能限 制本发明,权利要求书指出了本发明的范围,而上述的说明并未指出本发 明的范围。因此,在与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变,都应认为是包括在权利要求书的范围内
权利要求
1. 一种用于汽车冷启动的甲醇/乙醇驻涡微燃烧器预热进气方法,其特征在于通过甲醇/乙醇燃料在进气管内的驻涡微尺度燃烧器中燃烧产生高温烟气,然后与发动机进气混合,从而提高进气温度,解决汽车的冷启动问题。
2. 根据权利要求1所述的预热进气方法,其特征在于包括下列步骤S1、 液体甲醇/乙醇燃料首先在流经预热蒸发器通道时,被预热蒸发 为气体,通过内喷嘴后,形成甲醇/乙醇蒸汽射流;S2、 蒸汽射流喷射到驻涡微尺度燃烧器的驻涡发生器内,和从进气口 流入的空气在此发生化学反应,扩散燃烧,产生高温烟气;S3、 扩散燃烧通过驻涡发生器产生的驻涡来稳定;S4、 高温烟气从出气口出来与未进入驻涡发生器的主气流冷空气混 合,使得燃机进气温度比较均匀,大幅提高了进气温度;S5、将预热的进气送入汽车进气歧管,为燃机提供较高温度的进气从 而解决冷启动的问题。
3. —种根据权利要求1所述的预热进气方法使用的预热发动机进气的装置,其特征在于该装置位于空气滤清器之后、进气歧管之前,包括预热蒸发器和驻涡微尺度微燃烧器,其中,预热蒸发器包括支撑部件、加 热装置和燃料通道,通过加热装置对燃料通道内的甲醇/乙醇燃料加热,使甲醇/乙醇由液态变为气态进入驻涡发生器;驻涡微尺度燃烧器包括电 子点火器、驻涡发生器及燃烧室。
4. 根据权利要求3所述的装置,其特征在于装置为长形管状,其 一端为进口A,与空气滤清器的出口连通,另一端出口 B与汽车进气歧管 连通;装置内部的通道中装有支撑部件,支撑部件中心,位于内部的通道中 轴线上固接有驻涡发生器,驻涡发生器的渐縮式进气口朝向进口 A,其渐 扩式出气口朝向出口B;驻涡发生器的出气口、支撑部件与预热进气装置 侧壁包容的空间构成燃烧室;驻涡发生器的管壁与支撑部件固接,在驻涡发生器管壁上的相对应两 侧,于支撑部件内部设有微通道, 一侧是点火导线通道,另一侧是燃料通 道,两通道的内口与驻涡发生器的内腔相通;点火导线通道内有点火导线,点火导线从点火导线通道外口由预热进 气装置侧面引出,通道内口处固接有电子点火器,电子点火器的点火电极 伸入驻涡发生器的通道内,正对着燃料通道内喷嘴;燃料通道壁外侧周圆 设有加热装置,燃料通道外口位于预热进气装置侧面,以管道与燃料源相 通连。
5. 根据权利要求3或4所述的装置,其特征在于所述支撑部件.为轮辐式结构,为三辐式、四辐式或带有通孔的圆辐式。
6. 根据权利要求4所述的装置,其特征在于所述电子点火器和加热装置,分别与汽车蓄电池电连接。
7. 根据权利要求4所述的装置,其特征在于所述燃料通道外口以管道与燃料源相通连,在用于甲醇/乙醇汽车的辅助点火时,通过管路和油泵与车内的油箱相通连;在用于解决柴油车冷启动时,通过管路与附带的甲醇/乙醇燃料容器相通连;或利用乙醚液体燃料作为预热进气的燃料。
全文摘要
本发明一种用于汽车冷启动的通过驻涡微燃烧器预热空气的辅助点火方法及装置,涉及内燃机技术。该方法是通过少量甲醇/乙醇燃料在微燃烧器内的燃烧产生高温烟气,然后混合燃机进气,从而提高进入燃机空气的温度,解决甲醇/乙醇汽车的冷启动问题。该装置位于空气滤清器之后、空气进气歧管之前,装置包括驻涡微燃烧器、甲醇/乙醇预热蒸发器。液体甲醇/乙醇通过预热器的预热蒸发,在微燃烧器内和空气进行混合燃烧,产生的高温烟气和汽车进气的主气流混合。本发明通过提高进气温度来解决冷启动问题,装置简单,运行操作方便。
文档编号F02N19/08GK101205866SQ200610165540
公开日2008年6月25日 申请日期2006年12月21日 优先权日2006年12月21日
发明者张哲巅, 张永生, 辉 武, 岳 王, 穆克进, 肖云汉 申请人:中国科学院工程热物理研究所
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