CN104564478A - 一种发动机及其冷启动系统、方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种发动机及其冷启动系统和方法，无需任何辅助启动设备，其结构简单，易于实施，能够快速稳定地实现冷启动。所述冷启动系统包括具有进气门和排气门的气缸，所述排气门连通有排气管，所述排气管通过开关连通有回流管，所述回流管与所述进气门连通；启动时，所述开关将所述排气管与所述回流管连通，以便排出的未燃烧气体通过所述回流管回流至所述气缸。所述方法包括：对进入气缸的气体进行压缩；将压缩后排出的未燃烧气体重新引入气缸，并在下一个工作循环中再次压缩；当缸内温度不低于柴油燃点时，向气缸内喷油，以启动发动机。本发明将一次压缩后的未燃烧气体回流至气缸再次压缩，使缸内温度达到柴油燃点，实现发动机的快速冷启动。

Description

一种发动机及其冷启动系统、方法

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，特别是涉及一种发动机的冷启动系统和方法。本发明还涉及一种具有上述冷启动系统的发动机。

背景技术

通常情况下，将发动机在环境温度低于零下8℃下的启动称为冷启动，现有技术中发动机常用的低温冷启动系统主要包括三类，分别为利用辅助设备预热进气型、利用辅助设备预热冷却液型和直接注入易燃性启动液型。

利用辅助设备预热进气型冷启动系统是通过直接加热进入发动机内的新鲜空气，来达到提高燃烧室温度的目的。具体地，辅助设备预热进气型冷启动系统又分为两种，一种利用辅助设备直接点燃进气管中的部分空气以达到提过燃烧室温度的目的，此类冷启动系统的缺点是消耗了一定量的氧气，导致启动瞬间燃烧不充分，不利于排放；另一种为加热气体型，直接用通电的电阻丝加热进入发动机的新鲜空气，其缺点是电阻丝耗电量比较大，对电池的要求比较高，预热启动时间比较长。

利用辅助设备预热冷却液型低温冷启动系统需要单独的加热设备对冷却液进行加热，整个加热设备的结构复杂、成本高且所需的预热时间长，一般需要预热几十分钟以上。

顾名思义，直接注入易燃启动液型就是直接向发动机内注入易燃性的启动液，该种启动液的燃点较低，故能够实现低温下的启动。一方面，低温启动液一般采取压力罐充装，遇高温极易发生爆燃，因此随车携带具有一定的危险性，并且，爆燃时多伴随着“缺缸”现象，会对于曲柄连杆机构等运动部件产生较大的机械冲击；另一方面，经常利用启动液助燃，柴油机启动后的较短时间内，汽缸内的燃烧状况恶化，容易造成燃烧室积炭；再者，如果长期使用启动液启动，会导致燃油系统出现一定故障，喷油嘴、喷油泵都要校正；此外，此类启动液容易挥发产生有毒气体，经常使用不可避免的会损害人体健康。

因此，如何设计一种发动机及其冷启动系统和方法，以便更好地实现低温环境下发动机的正常启动，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种发动机的冷启动系统和方法，无需任何辅助启动设备，节约了成本，其结构简单，易于实施，能够稳定可靠地快速实现冷启动。

本发明的另一目的是提供一种具有上述冷启动系统的发动机，能够快速实现冷启动，且稳定性较好，对环境的污染较少。

为解决上述技术问题，本发明提供一种发动机的冷启动系统，包括具有进气门和排气门的气缸，所述排气门连通有排气管，所述排气管通过开关连通有回流管，所述回流管与所述进气门连通；启动时，所述开关将所述排气管与所述回流管连通，以便排出的未燃烧气体通过所述回流管回流至所述气缸。

本发明的冷启动系统，设置有能够与排气管连通的回流管，以便将经过一次压缩后的未燃烧气体回流至气缸，通过气缸再次进行压缩，使得缸内温度达到柴油燃点，实现发动机在低温环境下的快速启动，无需任何辅助启动设备，利用发动机本身的结构特性实现冷启动，故结构简单，更加安全可靠，可实施性和稳定性均较好，对环境污染较少。

可选地，所述开关为设置在所述排气管上的开关阀，发动机启动时，所述开关切换至闭合工作位，以封堵所述排气管，并将所述排气管与所述回流管连通；完成启动后，所述开关切换至开启工作位，以开启所述排气管，并封堵所述排气管与所述回流管的通路。

可选地，所述开关为气动控制蝶阀。

可选地，还包括控制发动机动作的控制器，所述开关与所述控制器信号连接，所述控制器根据发动机的启动状态控制所述开关启闭。

可选地，还包括用于检测所述气缸内温度的温度传感器以及与所述控制器信号连接的喷油器，所述温度传感器与所述控制器信号连接；当所述气缸内的温度不低于柴油燃点时，所述控制器控制所述喷油器喷油，同时控制所述开关封堵所述排气管与所述回流管的通路。

可选地，还包括以其进气口与气源连通的涡轮增压器，所述涡轮增压器与所述排气门和所述排气管连通，所述涡轮增压器的出气口与所述进气门连通。

可选地，所述进气门连通的进气管，所述涡流增压器的出气口和所述回流管均与所述进气管连通，所述回流管设有防止气流倒流回所述排气管的单向阀。

本发明还提供一种发动机，采用上述任一项所述的冷启动系统进行启动。

由于本发明的发动机包括上述任一项所述的冷启动系统，故上述任一项所述的冷启动系统所产生的技术效果均适用于本发明的发动机，此处不再赘述。

本发明还提供一种发动机的冷启动方法，包括以下步骤：

11)对进入气缸的气体进行压缩；

12)将压缩后排出的未燃烧气体重新引入气缸，并在下一个工作循环中再次对其进行压缩；

13)当缸内温度不低于柴油燃点时，向气缸内喷油，以启动发动机。

本发明的冷启动方法，将一次压缩后的气体回流至气缸内，以便在下个工作循环中对其进行再次压缩，以快速达到柴油燃点，实现低温下的冷启动。在外界环境温度较低的情况下，一次压缩后的气体不足以升温至柴油燃点，故此时直接排出气缸，但其温度较高，且不属于燃烧后形成的废气，完全可以作为新气体重新进入气缸；在下一个工作循环中，气缸再次压缩未燃烧的高温气体时，其温度迅速升高，使得气缸内的温度快速达到柴油燃点，以便喷油器喷油后燃烧，实现发动机的冷启动。

可选地，所述步骤12)中，在下一个工作循环中，将新进入的气体与引入的未燃烧气体混合，对形成的混合气体进行压缩。

附图说明

图1为本发明所提供发动机的冷启动系统在一种具体实施方式中的结构示意图。

图1中：

1气缸、11进气门、12排气门、121排气歧管、2排气管、3开关、31气动控制组件、4回流管、5控制器、6温度传感器、7喷油器、8涡轮增压器、81出气支管、9单向阀、10进气管、100电机

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

本发明的发动机，具有冷启动系统，以便在低温环境下实现冷启动，且无需任何辅助启动设备，利用发动机本身的启动系统，故结构简单，易于实施，解决了现有技术中低温启动困难、稳定性差等问题。

请参考图1，图1为本发明所提供发动机的冷启动系统在一种具体实施方式中的结构示意图。

在一种具体实施方式中，本发明的发动机的冷启动系统包括气缸1，气缸1具有进气门11和排气门12，排气门12与排气管2连通，以便将气缸1中的废气向外排出。排气管2通过开关3连通有回流管4，回流管4与进气门11连通；当发动机启动时，开关3将排气管2与回流管4连通，以便气缸1内排出的未燃烧气体进入回流管4，而不通过排气管2直接排出；通过回流管4流回气缸1的未燃烧气体，在下一个工作循环中进行再次压缩，使得其温度再次升高，以达到柴油燃点，此时向气缸1内喷油即可燃烧，从而实现发动机的启动。

所述冷启动通常是指发动机在环境温度低于零下8℃下的启动，由于环境温度较低，气缸1对外部输入的气体进行一次压缩后，虽然气体温度会有所升高，但基本上无法达到柴油燃点，故现有技术中通常采用辅助设备实现发动机的冷启动，例如，注入易燃启动液。

本发明针对上述采用辅助设备的不足以及现有技术中冷启动难、稳定性差等问题，提出了利用气缸1所排出的一次压缩气体的技术方案，由于一次压缩后的气体无法满足燃烧条件，故会从排气门12排入排气管2中，但该部分气体并没有燃烧，不属于真正意义上的废气，如果通过排气管2排出则造成能源浪费；同时，该部分气体的温度较高，能够供给柴油燃烧使用，因此，可以将一次压缩后的气体送回气缸1内进行再次压缩，以便将其快速升温至柴油的燃点温度，实现发动机的冷启动。

具体地，开关3可以为设置在排气管2上的开关阀，具有开启和闭合两个工作位。当发动机启动时，开关3切换至闭合工作位，从而将排气管2封堵，同时将回流管4与排气管2连通，则其气缸1中未燃烧的气体依次通过排气管2、回流管4流回气缸1内，以便在下一个工作循环中进行再次压缩；当发动机完成启动后，开关3切换至开启工作位，以开启排气管2，使得气缸1中排出的废气通过排气管2向外排出，同时，开关3将排气管2与回流管4的通路封堵，防止废气通过回流管4流入气缸1内。

其中，开关3可以为气动控制蝶阀，如图1所示，当发动机启动时，其碟板按照图1中虚线箭头所示方向运动，由图1中实线所示位置运动到虚线所示位置，即由与排气管2的轴向平行的位置运动到垂直于排气管2的通流截面的位置，以便将排气管2封堵；同时，当开关3的碟板处于实线位置时，能够将回流管4与排气管2之间的通路完全封堵，则当其运动到虚线所示位置时，将回流管4与排气管2之间的通路释放，以便将两者连通。

当完成启动后，开关3由图1中虚线所示位置运动到实线所示位置，以便将排气管2开启，使得气缸1输出的气体能够通过排气管2正常排出，避免废气进入气缸1内；同时，排气管2与回流管4之间的通路被封堵，废气正常排出，不再回流至气缸1内。

为便于控制，本发明还可以包括控制发动机动作的控制器5，可以将开关3与控制器5信号连接，则控制器5可以根据发动机的启动状态控制开关3启闭，以便在发动机启动时控制开关3切换至闭合工作位，当发动机完成启动后将其切换至开启工作位，进而控制回流管4与排气管2之间的连通状态。

开关3可以设置气动控制组件31，然后将气动控制组件31与控制器5信号连接，则控制器5可以向气动控制组件31发送信号，以控制开关3完成相应动作。

进一步，本发明还可以设置温度传感器6和喷油器7，温度传感器6用于检测气缸1内的温度，喷油器7和温度传感器6均与控制器5信号连接；温度传感器6将其检测到的气缸1内的温度实时传递给控制器5，当缸内的温度不低于柴油燃点时，控制器5向喷油器7发出喷油指令，喷出的柴油在气缸内燃烧，发动机完成启动；同时，控制器5向开关3发出动作指令，控制开关3将排气管2与回流管4之间的通路封堵，以便排气管2正常排气，避免废气通过回流管4进入汽缸1内。

可见，温度传感器6能够实时对气缸1内的温度进行检测，并将检测结果传递给控制器5，便于控制器5根据缸内温度的变化情况对喷油器7和开关3等进行实时控制，以便在缸内温度达到柴油燃点时即进行喷油，从而提高效率；更为重要的是，控制器5能够根据温度传感器6检测的温度进行相应控制，避免缸内温度过高时喷油，从而提高操作安全性，避免出现爆燃等现象，提高了启动稳定性。

详细地，控制器5可以为发动机的ECU控制单元，或者单独设置控制开关3启闭的控制件，或者设置控制冷启动的控制部件，还可以将发动机的气缸1等启动部件与控制器5信号连接；当发动机启动时，控制器5接收到启动信号时，向开关3发出控制信号，从而将回流管4与排气管2连通。例如，发动机可以采用电机100驱动，电机100启动的瞬间，电路中的电压或者电流变换反馈给ECU控制单元，即控制器5；控制器5通过内部的控制逻辑将发出气体流向气动控制蝶阀(即开关3)的控制信号，动作的结果是，蝶阀的碟板在气动力的作用下按照图1中虚线箭头所示的方向运动，由实线所示位置运动到虚线所示位置；此时，排气管2的排气通道关闭，排出的气体通过回流管4流入气缸1的进气门11，以重新进入气缸1内；气体在气缸1内进行再次压缩后，经过短暂的时间，缸内温度达到柴油的燃点，控制器5接收到温度传感器6传递的温度信号，可以通过内部的控制逻辑向喷油器7发出喷油指令，同时向气动控制蝶阀发出恢复原位的动作指令，此时，发动机进行正常排气，冷启动完成。

本领域技术人员应该可以理解，开关3还可以采用其他结构，不限于所述气动控制蝶阀，凡是能够控制回流管4与排气管2之间通路的通断状态的结构均可以构成本发明的开关3。

可以理解，当开关3采用气动控制蝶阀时，其动作精度更高，易于进行控制；更为重要的是，发动机启动过程中，开关3能够在两个工作位之间切换，在其开启时排气管2正常排气，当其闭合时，排气管2封堵，回流管4处于连通状态，也就是说，在任意时刻总能保证一个气路连通，则即使开关3的控制失效，在短时间内也不会因气路不通而发生故障。

采用本发明的冷启动系统，用较短的时间就可以完成启动，而且启动过程只需对开关3进行控制，控制链短，整个系统更为稳定可靠；在第一次工作循环中并不喷油，只有当缸内温度达到柴油燃点时才喷油，则喷油的延迟可以起到节能的效果；再者，由于缸内温度已经达到柴油燃点，故柴油能够充分燃烧，避免燃烧不充分产生超标废气，对环境的污染较小；当采用气动控制蝶阀作为开关3时，可以节省蓄电池的使用量。

更进一步，本发明的冷启动系统还可以包括涡轮增压器8，涡轮增压器8与气源连通，以便对气源输送的气体进行增压，然后通过其出气口输送至气缸1的进气门11，以进入气缸1内供其使用；涡轮增压器8的动力源来源于气缸1排出的废气，故涡轮增压器8还与气缸1的排气门12和排气管2连通，气缸1排出的废气通过其排气门12输送至涡轮增压器8内，驱动涡轮增压器8的涡轮转动，然后再进入排气管2中，通过排气管2向外排出。

如图1所示，气缸1的排气门12可以连通排气歧管121，通过排气歧管121与涡轮增压器8连通，然后再通过涡轮增压器8与排气管2连通，以便将排出的气体输送至排气管2中；涡轮增压器8还设有进气口，以便与气源连通，涡轮增压器8对输入的空气增压后，通过其上连通的出气支管81输送至气缸1的进气门11。

再者，还可以在进气门11上设置与其连通的进气管10，然后将可以将出气支管81(或者说涡轮增压器8的出气口)和回流管4均与所述进气管10连通，以便将经过一次压缩后的未燃烧气体与重新输入的未压缩的新鲜气体混合，然后统一输送至气缸1中，使得气缸1对混合气体进行压缩。一方面，混合气体的温度要高于未压缩的新鲜气体，更加接近柴油燃点，便于提高启动效率；另一方面，未经压缩的气体可以对一次压缩后的气体进行降温，避免温度过高引起爆燃；再者，经过一个工作循环，压缩后的气体必然存在一定的损失，新鲜气体的加入能够为柴油的燃烧提供更为充足的氧气，提供燃烧的充分性，降低环境污染。

此外，当涡轮增压器8和回流管4均与进气管10连通时，两者通过进气管10相连通，此时，涡轮增压器8输送至进气管10中的气体有可能通过回流管4倒流至排气管2中，对排气和进气产生干扰；此时，可以在回流管4上述设置单向阀9，以便将排气管2中的气体单向输送至回流管4中，避免回流管4中的气体倒流回排气管2中。

本文所述的信号连接是指，以有线或者无线的连接方式实现信号传递的一种连接方式。图1中，与控制器5相连的连接线上，实心箭头表示向控制器5发送信号，或者说表示控制器5从执行部件获取信号；空心箭头表示控制器5向外发出的控制信号，以控制与其信号连接的部件按照控制信号执行动作。

需要说明的是，发动机包括的部件较多，结构较为复杂，限于篇幅，本文仅对其冷启动系统进行了说明，其他部分请参照现有技术，此处不再赘述。

本发明还提供了一种发动机的冷启动方法，包括以下步骤：

11)对进入气缸1内的气体进行压缩；

12)将压缩后排出的未燃烧气体重新引入气缸1内，并在下一个工作循环中再次对其进行压缩；

13)在气体进行二次压缩后，其温度升高，当缸内温度不低于柴油燃点时，向气缸内喷油，柴油燃烧，以启动发动机。

在低温环境下，第一次进入气缸1内的空气温度较低，即使在气缸1内压缩后升温，其温度也达不到柴油燃点，不满足燃烧条件，故该部分气体会直接排出气缸1；但是，由于第一次压缩后的气体没有用于燃烧，不属于真正意义上的废气，且该部分气体温度较高，本发明将该部分气体返回气缸1内，进行二次压缩，以进一步升高其温度，使其快速达到柴油燃点，实现冷启动。

进一步，所述步骤12)中，在下一个工作循环中，还可以将新进入的气体与引入的未燃烧气体混合，对形成的混合气体进行压缩；如上文所述，相对于单一气体，经一次压缩后的气体与未压缩后的气体混合后，一方面可以快速实现启动，另一方面也不至于压缩后的温度过高引发爆燃，还利于提高柴油的燃烧充分性，不仅稳定可靠，还节能环保。

以上对本发明所提供的发动机及其冷启动系统、方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种发动机的冷启动系统，包括具有进气门(11)和排气门(12)的气缸(1)，所述排气门(12)连通有排气管(2)，其特征在于，所述排气管(2)通过开关(3)连通有回流管(4)，所述回流管(4)与所述进气门(11)连通；启动时，所述开关(3)将所述排气管(2)与所述回流管(4)连通，以便排出的未燃烧气体通过所述回流管(4)回流至所述气缸(1)。

2.如权利要求1所述的冷启动系统，其特征在于，所述开关(3)为设置在所述排气管(2)上的开关阀，发动机启动时，所述开关(3)切换至闭合工作位，以封堵所述排气管(2)，并将所述排气管(2)与所述回流管(4)连通；完成启动后，所述开关(3)切换至开启工作位，以开启所述排气管(2)，并封堵所述排气管(2)与所述回流管(4)的通路。

3.如权利要求2所述的冷启动系统，其特征在于，所述开关(3)为气动控制蝶阀。

4.如权利要求1-3任一项所述的冷启动系统，其特征在于，还包括控制发动机动作的控制器(5)，所述开关(3)与所述控制器(5)信号连接，所述控制器(5)根据发动机的启动状态控制所述开关(3)启闭。

5.如权利要求4所述的冷启动系统，其特征在于，还包括用于检测所述气缸(1)内温度的温度传感器(6)以及与所述控制器(5)信号连接的喷油器(7)，所述温度传感器(6)与所述控制器(5)信号连接；当所述气缸(1)内的温度不低于柴油燃点时，所述控制器(5)控制所述喷油器(7)喷油，同时控制所述开关(3)封堵所述排气管(2)与所述回流管(4)的通路。

6.如权利要求4所述的冷启动系统，其特征在于，还包括以其进气口与气源连通的涡轮增压器(8)，所述涡轮增压器(8)与所述排气门(12)和所述排气管(2)连通，所述涡轮增压器(8)的出气口与所述进气门(11)连通。

7.如权利要求6所述的冷启动系统，其特征在于，所述进气门(11)连通的进气管(10)，所述涡流增压器(8)的出气口和所述回流管(4)均与所述进气管(10)连通，所述回流管(4)设有防止气流倒流回所述排气管(2)的单向阀(9)。

8.一种发动机，其特征在于，采用上述权利要求1-7任一项所述的冷启动系统进行启动。

9.一种发动机的冷启动方法，其特征在于，包括以下步骤：

11)对进入气缸的气体进行压缩；

12)将压缩后排出的未燃烧气体重新引入气缸，并在下一个工作循环中再次对其进行压缩；

13)当缸内温度不低于柴油燃点时，向气缸内喷油，以启动发动机。

10.如权利要求9所述的冷启动方法，其特征在于，所述步骤12)中，在下一个工作循环中，将新进入的气体与引入的未燃烧气体混合，对形成的混合气体进行压缩。