CN116771486A - 一种预燃室点火器，甲醇发动机及其冷启动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预燃室点火器，甲醇发动机及其冷启动控制方法，包括：壳体、喷嘴、喷油器、火花塞和加热元件，预燃室底部设有不少于1个喷孔；喷嘴的外表面贴装有加热元件，用于加热喷向所述预燃室部分内壁的燃油喷雾；所述喷油器的喷射口和火花塞的末端延伸进入预燃室中，且所述喷油器的喷射方向朝向火花塞的方向，且所述喷油器的喷雾喷至设置有加热元件的所述预燃室的内壁。本发明在甲醇发动机冷启动时利用温控开关控制加热元件对预燃室进行加热，控制预燃室内部过量空气系数在0.8‑1.0之间，从而在冷启动状态实现发动机的超稀薄燃烧；待甲醇发动机运行稳定后，喷油器与加热元件停止工作，所述冷启动装置继续运行。

Description

一种预燃室点火器，甲醇发动机及其冷启动控制方法

技术领域

本发明属于内燃机技术领域，具体涉及一种用于甲醇发动机冷启动工况下的可加热式预燃室点火器，甲醇发动机及其冷启动控制方法。

背景技术

随着人们对燃料短缺和空气污染控制的日益关注，替代燃料越来越受到重视。甲醇是一种清洁燃料，它可以以相对较低的成本从煤、天然气和植物中生产合成，具有许多理想的燃烧和排放特性，如：高辛烷值、抗爆性能好、高汽化潜热、允许高密度的燃料-空气混合气充量，以及优异的稀燃性能。这些特性使甲醇成为奥托循环火花点火发动机的优质燃料。但是，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，这直接导致了甲醇发动机在低环境温度下冷启动困难的问题出现。

甲醇冷起动困难主要是因为在低环境温度下，喷射至进气歧管位置处的燃油蒸发会严重恶化，粗略估计，在最初几个冷起动循环期间，只有10–20％的燃料进行了蒸发，环境温度越低，起动所需的空气燃油混合气越浓。传统解决方法有燃油加浓喷射、缸套加热、进气增温等。燃油加浓喷射指的是发动机进行过量喷油，从而在气缸内形成充分的可燃混合气。这种过量喷油将会导致大量液体燃料进入气缸，导致燃油的不完全燃烧，产生大量的CO、HC排放，这也是冷启动过程中排放超标的主要原因。缸套加热的目的是加热整个主燃烧室，增强主燃烧室内的热力学条件，从而达到稳定着火的目的。进气增温可以促进燃油的蒸发，同样可以增强主燃烧室内的热力学条件，实现稳定着火的目的。这两种方法由于能量消耗大所以不常被使用。

如果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稳定燃烧，就可以保证发动机稳定启动的前提下，实现低污染物排放。根据William P.Attard的相关研究表明，射流火焰有三个作用，分别为增强主燃烧室混合气热力学状态，湍流强度与混合气反应活性。火焰经喷孔喷出的过程中存在部分淬息现象，淬息的火焰中含有大量反应中间产物，这些活性基团可以极大的促进主燃烧室混合气的燃烧。为此，考虑一种新的甲醇发动机冷启动辅助方式，通过在小体积的预燃室喷嘴处用加热带创造高温着火环境，喷入预燃室的燃料进行良好的雾化蒸发，然后预燃室内混合工质先行点燃喷出射流火焰，射流火焰带来的热量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，并提升主燃烧室内部工质的反应活性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种预燃室点火器，甲醇发动机及其冷启动控制方法。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。本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明第一方面涉及一种预燃室点火器，包括壳体、喷嘴、喷油器、火花塞和加热元件，喷嘴的内壁和壳体底部配合形成一个预燃室，所述预燃室底部设有不少于1个喷孔；喷嘴的外表面贴装有加热元件；所述加热元件用于加热喷向所述预燃室部分内壁的燃油喷雾；所述喷油器的喷射口和火花塞4的末端延伸进入预燃室中，且所述喷油器的喷射方向朝向火花塞的方向，且所述喷油器的喷雾喷至设置有加热元件的所述预燃室的内壁。

进一步的，所述预燃室6为漏斗型，从壳体底部向下依次包括第一区域、第二区域和位于第一区域和第二区域之间的过渡区域，所述第一区域和第二区域的体积比为1：1；所述加热元件贴装在第一区域和过渡区域的外部，且所述加热元件与温控开关电连接。

进一步的，所述喷孔数量为1-10个，直径2-8mm；优选设置3-10个喷孔。

进一步的，所述加热元件选自以下之一：加热带，埋伏式电阻丝和加热棒。

进一步的，所述喷油器形成的扇形喷雾与所述火花塞的中心轴线呈45°角。

本发明第二方面涉及一种甲醇发动机，包括预燃室点火器、气缸盖、基体、和活动腔，预燃室点火器、进气端和出气端均设置在气缸盖顶部，基体和气缸盖内部设置有一活动腔；所述甲醇发动机还包括温控开关，所述温控开关和交流电源电性连接，且温控开关设置在预燃室点火器的一侧，温控开关用于检测预燃室内的温度以及控制加热元件的启闭。

进一步的，所述预燃室点火器的预燃室的体积为活动腔体积的5％以下。

本发明第三方面涉及甲醇发动机的冷启动控制方法，包括：

利用温控开关控制位于喷嘴上的加热元件对预燃室进行加热，使预燃室内温度达到预设的工作温度；随后在发动机带动下，推杆向上运行到压缩上止点，喷油器喷油，燃油接触到加热的预燃室内壁后快速蒸发，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预燃室内的混合气，形成射流火焰进入活动腔，其中，喷油器的喷油量根据预燃室的容积确定，所述最佳点火角度由发动机运行状态决定；控制预燃室内部过量空气系数在0.8-1.0之间，从而在冷启动状态实现发动机的超稀薄燃烧；

待甲醇发动机运行稳定后，加热元件停止工作，所述冷启动装置其余元件继续运行，可实现主动式预燃室湍流射流点火提高稀燃时的点火能力和发动机性能。

所述甲醇发动机的冷启动控制方法还适用于汽化潜热高的燃料或者液氨燃料发动机冷启动。

同样可应用于其它汽化潜热高的燃料或者液氨燃料发动机冷启动问题。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1、相较于传统加浓冷启动的方式，采用喷射腔内点火的方式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，可以显著降低HC、CO排放。

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。

3、采用加热喷射腔(预燃室)的方法，将射流火焰用于甲醇发动机冷启动工况，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。

附图说明

图1是本发明所述预燃室点火器的剖视图；

图2是安装有预燃室点火器的甲醇发动机的结构示意图。

图中：

100、预燃室点火器；1、壳体；2、喷嘴；3、喷油器；4、火花塞；5、加热带；6、预燃室；61、第一区域；62、过渡区域；63、第二区域；7、密封圈；8、基体；9、进气端；91、进气管；92、进气门；10、出气端；101、出气管；102出气门；11、推杆；12、温控开关；13、交流电源

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案、有益效果及显著进步更加清楚，下面结合本发明实例中所提供的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所有描述的这些实施例仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本申请的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；术语“多个”是指两个或两个以上；除非另有规定或说明，术语“连接”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，或电连接；“连接”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

如图1所示，一种预燃室点火器100，包括:包括壳体1、喷嘴2、喷油器3、火花塞4和加热带5，喷嘴2螺纹连接在壳体1底部，喷嘴2的内壁和壳体1底部配合形成一个预燃室6，所述预燃室底部有3个喷孔，直径为4mm，所述喷孔连通预燃室和活动腔(即主燃室)。喷孔均匀分布在预燃室底部使得喷嘴2喷出的射流火焰均匀覆盖整个活动腔，成功点燃活动腔内冷混合气，使得燃料能够充分燃烧。而且，所述壳体1底部的外侧壁设置有第一螺纹部，喷嘴2顶部的内侧壁设置有与第一螺纹部啮合连接的第二螺纹部，从而实现喷嘴2螺纹连接在壳体1底部。这种设计，增强了壳体1和喷嘴2之间的连接牢固性，当喷嘴2出现损坏时，便于快速更换喷嘴2，提高了更换效率。

所述预燃室6为漏斗型，从壳体1底部向下依次包括第一区域61、第二区域63和位于第一区域61和第二区域63之间的过渡区域62，所述第一区域61截面为倒梯型，第二区域63的截面为长方型，所述过渡腔63的内径向背离第一区域61的方向减小。所述第一区域和第二区域的体积比为1：1。相比传统的预燃室，这种预燃室的体积更小，可降低能量损耗和热损失。

加热带5贴合安装在喷嘴2的外表面且位于第一区域61和过渡区域62的外部，且所述加热带5与温控开关12电连接。所述喷油器3为设置在壳体1内的单孔喷油器，且喷油器3的喷射口延伸进入预燃室6中，所述喷油器形成的扇形喷雾与所述火花塞4的中心轴线呈约45°角，从而使喷射方向朝向火花塞4的方向，且喷雾主要喷向体积较大的第一区域61和过渡区域62(如果图1所示)；火花塞4部分设置在壳体1中，火花塞4的头部位于喷射腔6内且与喷油器3的喷射口相互对应。

由于这种结构设计，喷油器3的喷雾主要形成于预燃室6的第一区域61和过渡区域62，在位于第一区域61和过渡区域62外壁上的加热带5的配合下，预燃室6内部燃料混合气能够实现良好雾化与蒸发，火花塞4点燃预燃室6内部混合气，使得喷出的射流火焰通过喷孔点燃活动腔(即主燃室)内冷混合气，从而使得甲醇发动机实现可靠的冷启动。根据实际情况，所述加热带5可以使用类似埋伏式电阻丝、加热棒等结构。

如图2所示，一种甲醇发动机，包括预燃室点火器100、气缸盖、基体8、进气端9、出气端10以及活动安装在基体8内部的推杆11，预燃室点火器100、进气端9和出气端10均设置在气缸盖顶部，进气端9和出气端10分别位于预燃室点火器100的两侧，基体8和气缸盖内部设置有一活动腔，推杆11抵接于活动腔的内壁，且所述预燃室点火器100的预燃室6的体积为活动腔体积的5％以下，能够保证在现有车用点燃式发动机不做大的改动下使用。其中，进气端10包括用于引入气体的进气管91和进气门92，出气端10包括用于排出气体的出气管101和出气门102。所述甲醇发动机还包括温控开关12，所述温控开关和交流电源13电性连接，且温控开关12设置在预燃室点火器100的一侧，温控开关12用于检测预燃室6内的温度以及控制加热带的启闭。

安装预燃室点火器100时，首先将喷油器3与火花塞4安装在壳体1上，随后将喷嘴2通过螺纹安装在壳体1下方，加热带5贴合安装在喷嘴2的外表面，并通过耐高温导线与温控开关12和交流电源13相连，且喷射方向朝向火花塞4的方向。将预燃室点火器100通过喷嘴2外壁的螺纹拧紧在气缸盖上，喷嘴2为侧置并且位于进气门92一侧；并采用金属密封圈7密封喷嘴2和气缸盖之间的间隙，在密封过程中，通过金属密封圈的轻微变形来实现密封，从而提高了喷嘴2和气缸盖之间的密封性。

所述甲醇发动机冷启动工况下的点火控制方法如下：

首先利用温控开关12控制位于喷嘴2上的加热带5对预燃室6进行加热，使预燃室6内温度达到预设的工作温度；随后在发动机带动下，推杆11向上运行到压缩上止点，即之前180°CA时(具体根据不同发动机参数进行标定)，喷油器3喷出少量油(需要根据预燃室6的容积确定喷油量)，燃油接触到高温的预燃室6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4点燃预燃室6内的混合气，形成射流火焰进入活动腔(主燃室)，保证发动机的稳定启动，其中，最佳点火角度为活塞到达压缩上止点处，其由发动机运行状态决定；控制预燃室6内部过量空气系数在0.8-1.0之间，从而在冷启动状态实现发动机的超稀薄燃烧，提高热效率；

在火花塞4成功点燃预燃室6内混合气后，预燃室6内部会首先着火，随后经喷嘴2加速喷出多束射流火焰，从而使得活动腔(主燃烧室)内的冷混合气被成功点燃，进行充分燃烧，待甲醇发动机运行稳定后，加热带5停止工作；

在发动机正常运转时，加热带5不工作，其余元件继续运行。

综上，本发明实施例中的甲醇发动机冷启动装置，通过加热预燃室6的方法向主燃烧室内引入射流火焰，提高了主燃烧室内的着火性能。由于射流火焰的主要能量来自于燃油燃烧，因此对电池要求不高，系统可靠性更高，且冷启动的稳定性也更好。需要说明的是，本发明实施例中的燃料包括但不限于甲醇，同样可以扩展到醇类、醚类、汽油等燃料的冷启动方面，相关技术也对船用等内燃机有一定的指导作用。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当说明书作为一个整体，实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种预燃室点火器，其特征在于，包括：壳体(1)、喷嘴(2)、喷油器(3)、火花塞(4)和加热元件(5)，喷嘴(2)的内壁和壳体(1)底部配合形成一个预燃室(6)，所述预燃室(6)底部设有不少于1个喷孔；喷嘴(2)的外表面贴装有加热元件(5)；所述加热元件(5)用于加热喷向所述预燃室(6)部分内壁的燃油喷雾；所述喷油器(3)的喷射口和火花塞(4)的末端延伸进入预燃室(6)中，且所述喷油器(3)的喷射方向朝向火花塞(4)的方向，且所述喷油器的喷雾喷至设置有加热元件的所述预燃室的内壁。

2.根据权利要求1所述的预燃室点火器，其特征在于，所述预燃室(6)为漏斗型，从壳体(1)底部向下依次包括第一区域(61)、第二区域(63)和位于第一区域(61)和第二区域(63)之间的过渡区域(62)，所述第一区域(61)和第二区域(63)的体积比为1：1；所述加热元件贴装在第一区域(61)和过渡区域(62)的外部，且所述加热元件与温控开关(12)电连接。

3.根据权利要求1所述的预燃室点火器，其特征在于，所述喷孔数量为1-10个，直径2-8mm。

4.根据权利要求1所述的预燃室点火器，其特征在于，所述加热元件选自以下之一：加热带，埋伏式电阻丝和加热棒。

5.根据权利要求1所述的预燃室点火器，其特征在于，所述喷油器(3)形成的扇形喷雾与所述火花塞(4)的中心轴线呈45°角。

6.一种甲醇发动机，其特征在于，包括如权利要求1所述的预燃室点火器(100)、气缸盖、基体(8)、和活动腔，预燃室点火器(100)、进气端(9)和出气端(10)均设置在气缸盖顶部，基体(8)和气缸盖内部设置有一活动腔；所述甲醇发动机还包括温控开关(12)，所述温控开关(12)和交流电源(13)电性连接，且温控开关(12)设置在预燃室点火器(100)的一侧，温控开关(12)用于检测预燃室(6)内的温度以及控制加热元件(5)的启闭。

7.根据权利要求6所述的甲醇发动机，其特征在于，所述预燃室点火器(100)的预燃室(6)的体积为活动腔体积的5％以下。

8.根据权利要求6所述甲醇发动机的冷启动控制方法，其特征在于，包括：

利用温控开关(12)控制位于喷嘴(2)上的加热元件(5)对预燃室(6)进行加热，

使预燃室(6)内温度达到预设的工作温度；随后在发动机带动下，推杆(11)向上运行到压缩上止点，喷油器(3)喷油，燃油接触到加热的预燃室(6)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(4)点燃预燃室(6)

内的混合气，形成射流火焰进入活动腔，其中，喷油器的喷油量根据预燃室(6)的容积确定，所述最佳点火角度由发动机运行状态决定；控制预燃室(6)内部过量空气系数在0.8-1.0之间，从而在冷启动状态实现发动机的超稀薄燃烧；

待甲醇发动机运行稳定后，加热元件(5)停止工作，所述冷启动装置其余元件继续

运行。

9.根据权利要求8所述的甲醇发动机的冷启动控制方法，其特征在于所述方法还适用于液氨燃料发动机冷启动。