一种预燃室点火器及甲醇发动机冷启动控制方法

本发明属于内燃机，具体涉及一种具有可伸缩电加热塞的预燃室点火器及甲醇发动机冷启动控制方法。

背景技术：

1、随着人们对燃料短缺和空气污染控制的日益关注，不少传统车企大力发展新能源汽车，但随着汽车产业的从高速发展向高质量发展的转型升级，新能源汽车也面临着动力电池成本高充电时间慢、车辆续航时间短、安全与可靠性不足等政策与技术方面的难题。因此，为减少传统内燃机对化石燃料的依赖度，发展新型清洁替代燃料迫在眉睫。

2、由于甲醇的沸点(338k)高于汽油的初始沸点(约313k)，并且具有低蒸汽压和高汽化潜热的性质，发动机启动时甲醇燃料吸收的热量约是汽油的8.07倍，同时甲醇的蒸发量仅为汽油的1/4，并且其受温度的影响很大，在7℃时的蒸发量仅为20℃时的1/6；甲醇的汽化潜热很高再加上蒸发量不足，直接导致主燃烧室内甲醇混合气的浓度达不到发动机的着火要求，这直接导致了火花点火(si)甲醇发动机在低环境温度下出现难以启动的问题。

3、甲醇发动机在冷起动期间，由于环境温度较低导致进气温度、机体温度较低，极少的燃油蒸发进入主燃烧室，而前几个循环的混合气制备对于进气道燃油喷射的发动机来说是十分重要的，这使得低温下的si甲醇发动机相比汽油机更难实现冷起动。而且冷起动失败会意味着大量失火循环的产生，将会产生大量的co、hc以及未燃甲醇的排放，对环境造成严重污染。

4、为此需要一种能够解决甲醇发动机在冷起动期间启动困难的装置，强化在冷启动工况下主燃烧室内部燃油混合程度与缸内热力学条件，提升主燃烧室内部工质的反应活性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种具有可伸缩电加热塞的预燃室点火器及甲醇发动机冷启动控制方法；本发明将预燃室点火器设计为预燃室可加热的结构，并设计了喷油的角度，利用了射流火焰对缸内工质所起到的提升初始热力学条件、增加湍流强度以及提升工质反应活性三个作用来解决甲醇发动机冷启动工况下启动困难以及冷启动带来的排放问题，提升了主燃室内热力学条件与湍流强度，能够点燃主燃烧室内混合气并进行充分燃烧，从而使甲醇发动机在冷起动期间能够在更接近化学计量比的条件下运行，即保证发动机稳定启动，又不会产生过量的排放污染物。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、具有可伸缩电加热塞的预燃室点火器，包括壳体、喷油器、火花塞和电加热塞，其中喷油器、火花塞和电加热塞设置在壳体内，且所述喷油器的喷嘴和火花塞的电极伸入喷射腔内；

4、所述喷油器3用于向喷射腔6中喷射燃料以形成目标混合气；

5、所述壳体底部贯通设置多个射流孔和一个第一通孔，所述射流孔环绕第一通孔设置；

6、所述电加热塞包括伸缩装置和位于其下部的加热段，所述加热段能够在伸缩装置的控制下具有两个工作位置，分别是第一位置和第二位置，所述第一位置是所述加热段整体位于喷射腔内，所述第二位置是所述加热段部分位于喷射腔内、穿过所述第一通孔、其余部分位于发动机的主燃烧室内，能够在第一位置时为喷射腔、在第二位置时为喷射腔和主燃烧室提供热能；且加热段的侧壁轮廓与所述第一通孔的轮廓适配。

7、进一步的，所述壳体包括第一壳体和第二壳体，所述第一壳体与第二壳体为可拆卸连接，且所述第一壳体和第二壳体拼合形成喷射腔，所述第一壳体的部分侧壁和第二壳体侧壁均具有螺纹用于分别与发动机气缸盖螺纹连接。

8、进一步的，所述电加热塞安装于壳体正中央，火花塞和喷油器分别位于所述电加热塞两则，且火花塞的电极中轴线与喷油器的喷射口的中轴线呈30-60°夹角。将所述电加热塞设置在壳体中部能够提高预燃室内甲醇-空气混合气的着火极限，同时通过预燃室射出高温气体或火焰提高点火能量，且高温气体可以提高整个燃烧室的热力学温度和压力，从而提高主燃烧室内混合气的着火极限和着火能力。

9、进一步的，所述射流孔直径为3 -6mm，数量为3-6个，以保证预燃室和主燃烧室的连通空间足够。

10、利用所述预燃室点火器的甲醇发动机冷启动控制方法，包括一种甲醇发动机，包括上述预燃室点火器、气缸盖、基体、进气端、出气端以及安装在基体内部的推杆；

11、在发动机冷启动阶段，控制电加热塞的加热段穿过第一通孔位于第二位置，使加热段同时对喷射腔和主燃烧内的混合气进行加热；

12、当喷射腔内温度达到预设的工作温度后，在发动机带动下，推杆向上运行到压缩上止点，喷油器喷射甲醇，控制喷射腔内部过量空气系数在0.8-1.0之间，燃油接触到加热的喷射腔内壁后快速蒸发，与空气混合形成可燃混合物，在最佳点火角度由火花塞点燃喷射腔内的混合气，形成射流火焰进入主燃烧室，其中，喷油器的喷油量根据喷射腔的容积确定，所述最佳点火角度由发动机运行状态决定；

13、待甲醇发动机运行稳定后，喷油器和火花塞继续工作，电加热塞不工作，且所述电加热塞的加热段回复第一位置，即缩回喷射腔中。

14、进一步的，所述预燃室点火器的喷射腔的体积为主燃烧室体积的5％以下。

15、所述电加热塞型号、大小以及伸入主燃烧室长度可根据发动机型号及运行工况设定。

16、与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

17、1.相较于传统加浓冷启动的方式，采用本发明所述的射燃室点火器的发动机能够在冷启动阶段，由喷油器在预燃室喷射少量甲醇，在喷射腔内点火，可以减少总体喷油量，降低燃油消耗，并且由于气缸内燃烧充分，能够在发动机冷启动状态实现发动机的超稀薄燃烧，还能够可以显著降低hc、co排放；

18、2.由于喷射腔(预燃室)体积小，相较于传统加热整个主燃烧室的方式，使用加热喷射腔(预燃室)的方法升温速度更快，能量消耗更少，冷启动着火性能优；而且相较于进气增温冷启动方式而言对电能消耗要求降低，更稳定可靠；

19、3.所述电加热塞采用可伸缩形式，能够在冷启动阶段同时加热喷射腔和主燃烧室，提高主燃烧室内的热力学状态，在冷启动结束后电加热塞的加热段缩回至喷射腔内降低故障率；而且所述射燃室点火器的射流孔处的第二壳体与第一壳体为可拆卸形式，便于更换；

20、4.电加热塞设置在壳体中部能够提高预燃室内甲醇-空气混合气的着火极限，同时通过预燃室射出高温气体或火焰提高点火能量，且高温气体可以提高整个燃烧室的热力学温度和压力，从而提高主燃烧室内混合气的着火极限和着火能力。

技术特征：

1.一种预燃室点火器，其特征在于，包括壳体、喷油器(3)、火花塞(5)和电加热塞(4)，其中喷油器(3)、火花塞(5)和电加热塞(4)设置在壳体内，且所述喷油器(3)的喷嘴和火花塞(5)的电极伸入喷射腔(6)内；

2.根据权利要求1所述的预燃室点火器，其特征在于，所述壳体包括第一壳体(2)和第二壳体(12)，所述第一壳体(2)与第二壳体(12)为可拆卸连接，且所述第一壳体(2)和第二壳体(12)拼合形成喷射腔(6)，所述第一壳体的部分侧壁和第二壳体侧壁均具有螺纹用于分别与发动机气缸盖螺纹连接。

3.根据权利要求1所述的预燃室点火器，其特征在于，所述电加热塞(4)安装于壳体正中央，火花塞和喷油器分别位于所述电加热塞两则，且火花塞(5)的电极中轴线与喷油器(3)的喷射口的中轴线呈30-60°夹角。

4.根据权利要求1所述的预燃室点火器，其特征在于，所述射流孔(1)直径为3-6mm，数量为3-6个。

5.一种甲醇发动机冷启动控制方法，其特征在于，所述甲醇发动机包括权利要求1-4任一项所述的预燃室点火器(100)；

6.根据权利要求5所述的甲醇发动机冷启动控制方法，其特征在于，所述预燃室点火器(100)的喷射腔(6)的体积为主燃烧室体积的5％以下。

技术总结
本发明公开了一种具有可伸缩电加热塞的预燃室点火器及甲醇发动机冷启动控制方法，预燃室点火器包括喷油器、火花塞和电加热塞，所述电加热塞为可伸缩式，具有两个工作位置，第一位置是加热段整体位于喷射腔内，第二位置是所述加热段部分位于喷射腔内、穿过所述第一通孔、其余部分位于发动机的主燃烧室内，能够在第一位置时为喷射腔、在第二位置时为喷射腔和主燃烧室提供热能。在发动机冷启动阶段，控制电加热塞的加热段位于第二位置，在喷射腔温度达到预设温度时，向喷射腔喷入少量甲醇，在喷射腔内点火，在发动机冷启动状态实现发动机的超稀薄燃烧，在发动机稳定运行后将电加热塞的加热段回复第一位置。

技术研发人员：周磊,刘宗宽,钟力嘉,卫海桥
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/8