CN105332844B - 一种利用废气余热预热发动机进气的装置 - Google Patents

一种利用废气余热预热发动机进气的装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用废气余热预热发动机进气的装置，包括预热器、节流阀电控系统和节流阀执行机构；所述预热器包括外壳和安装在外壳内的储暖片组；节流阀电控系统包括节流阀、电源、熔断器FU、总开关、电热器电路、电机电路、指示电路和控制电路，其中，电热器电路、指示电路、电极电路和控制电路分别并联在电源两端；熔断器FU的上端连接控制电路，下端连接电源的负极；节流阀执行机构包括齿轮组；齿轮组的一端连接所述电动机的输出轴,另一端连接所述节流阀的轴。本发明利用发动机排出的废高温烟气对发动机进气进行预热，既有效预热了发动机进气，提高低温下发动机的性能，又对废气余热能量进行合理回收利用，节能环保，操作方便。

Description

一种利用废气余热预热发动机进气的装置
技术领域
本发明涉及发动机进气预热技术领域，具体涉及一种利用废气余热进行发动机进气预热的装置。
背景技术
汽车在寒冷低温地区，发动机进气温度较低，不仅影响发动机的冷起动，使发动机起动困难；而且较低的进气温度进入气缸后，使柴油的雾化及形成的柴油/空气混合气质量变差，燃烧恶化，HC，CO等排放物增多。尤其对于采用HCCI，RCCI，甲醇进气道喷射柴油引燃双燃料等新型燃烧方式的发动机，进气温度的影响更为严重。适当提高发动机的进气温度，有助于燃料雾化及混合气的形成，对改善发动机燃烧过程，提高经济性、动力性及降低排放是有利的。但进气温度过高，一方面空气密度减小，使进入气缸的空气量减少；另一方面较高温度的进气温度进入气缸，容易引起爆震，使发动机工作粗暴，工作不稳定。因此，发动机的进气温度应当控制在一个适宜的温度范围内，这样才有助于发动机的运行。
传统的发动机进气温度控制技术采用电加热且大多数只具备使进气温度升高的功能。电加热具有加热能力强，加热速度快的优点，有利于发动机冷启动。但在汽车运行途中一直采用电加热控制进气温度，能耗较高，不利于环保。另一方面，发动机的废气余热能量大，温度高，是一种宝贵的能源，不应该白白的浪费掉，应得到合理利用。因此，设计一种能够利用废气余热将发动机进气温度控制在合适范围内的发动机进气预热装置是很有必要的。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种利用废气余热进行发动机进气预热的装置。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种利用废气余热预热发动机进气的装置，包括预热器、节流阀电控系统和节流阀执行机构；
所述预热器包括外壳和安装在外壳内的储暖片组；储暖片组的进气口连接废气进气管；
所述节流阀电控系统包括节流阀、电源、熔断器FU、总开关、电热器电路、电机电路、指示电路和控制电路，其中，所述电热器电路、指示电路、电极电路和控制电路分别并联在电源两端；电机电路包括电动机；节流阀安装在所述废气进气管上；熔断器FU的上端连接控制电路，下端连接电源的负极；总开关包括开关KF和开关KD；开关KD连接电热器电路，开关KF连接节流阀电控系统电路；
所述节流阀执行机构包括齿轮组；齿轮组的一端连接所述电动机的输出轴,另一端连接所述节流阀的轴。
进一步的，所述储暖片组包括多个叠加设置的储暖片，每个储暖片设有进气口和出气口，前一储暖片的出气口连接后一储暖片的进气口；储暖片组的进气口接在汽车后处理器的排气管上，储暖片组的出气口与大气相通；相邻储暖片之间有一定的间距形成风道。
进一步的，所述风道的宽度为2-3cm。
进一步的，所述外壳包括可拆卸的左端盖和右端盖，左端盖和右端盖上分别设有与外壳内相通的安装端；预热器通过左端盖和右端盖上的安装端连接在进气管上，外壳内部与进气管连通。
进一步的，所述预热器还包括电热器，电热器安装在外壳内。
进一步的，所述电热器与外壳之间设有绝热层。
进一步的，所述预热器还包括有垫圈，垫圈设在外壳的左端盖和右端盖之间。
进一步的，所述电机电路包括电动机、接触器K1的常开触点KM1、接触器K2的常开触点KM2和电容C；其中，所述电动机包括3个接线脚，分别为1号接线脚、2号接线脚和3号接线脚；接触器K1的常开触点KM1和接触器K2的常开触点KM2并联；接触器K1的常开触点KM1连接电动机的1号接线脚和2号接线脚；接触器K2的常开触点KM2连接电动机的2号接线脚和3号接线脚；电容C的两端分别连接电动机的1号接线脚和2号接线脚。
进一步的，所述指示电路包括发光二极管LED、电阻R、接触器K1的常开触点KM1和接触器K2的常开触点KM2，其中，接触器K1的常开触点KM1和接触器K2的常开触点KM2并联形成并联电路，发光二极管LED与该并联支路串联；电阻R上端接发光二极管,下端接电源负极。
进一步的，所述控制电路包括常闭行程开关LX1、常闭行程开关LX2、接触器K1的常开触点KM1、接触器K2的常开触点KM2、接触器K1的常闭触点KM1-1、接触器K2的常闭触点KM2-1、接触器K1的线圈KM1-X、接触器K2的线圈KM2-X、温控开关TB1和温控开关TB2；它们共形成两条回路：第一条回路：行程开关LX1、接触器K1的常开触点KM1、接触器K2的常闭触点KM2-1和接触器K1的线圈KM1-X串联；温度开关TB1与接触器K1的常开触点KM1并联；第二条回路：行程开关LX2、接触器K2的常开触点KM2、接触器K1的常闭触点KM1-1和接触器K2的线圈KM2-X串联；温度开关TB2与接触器K2的常开触点KM2并联；所述两条回路之间并联。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
1、车辆行驶在寒冷低温地区时，驾驶员可通过按钮开启废气余热，利用发动机排出的废高温烟气预热进气，提高发动机低温下的经济性、动力性及排放性。
2、对发动机的废气余热进行回收利用，节能环保。
3、本发明通过设置发光二极管，方便提醒驾驶员废气节流阀开闭状态。
4、本发明结构简单，操作方便，且成本低、易于维修、实用性好。
附图说明
图1是本发明的利用废弃余热预热发动机进气的装置结构示意图。
图2为本发明的预热器拆解图。
图3为本发明的安装示意图。
图4为储暖片组中的废气流向图。
图5为控制电路图。
图中：1、电动机，2、齿轮组，3、节流阀，4、进气口，5、外壳，6、出气口，7、储暖片组，8、螺栓孔，9、安装端，10、螺栓，11、垫圈，12、电热器，13、螺帽。
以下结合附图和实施例，对本发明的具体内容作进一步详细的解释和说明。
具体实施方式
结合图1、2、3、4和5，本发明的利用废气余热预热发动机进气的装置，包括预热器、节流阀电控系统和节流阀执行机构。
所述预热器包括外壳5和安装在外壳5内的储暖片组7，储暖片组7与外壳5之间设置有隔热层，防止热量流失。可选的，绝热层的材质是陶瓷。
所述储暖片组7包括多个叠加设置的储暖片，每个储暖片设有进气口和出气口，前一储暖片的出气口连接后一储暖片的进气口；储暖片组7的进气口4通过一个废气进气管接在汽车后处理器之后的排气管上，储暖片组7的出气口6与大气相通；储暖片组7中的气道用于废气流通，相邻储暖片之间有一定的间距形成风道，空气流过风道时便可进行预热；可选的，储暖片为钢制；所述废气进气管采用耐高温软管。
上述相邻储暖片之间的间距(即风道宽度)以及储暖片数量的选取具体视车型而定,原则上风道不能太窄,否则容易产生较大的进气阻力,同时风道也不能太宽,否则使储暖片数量减少,使预热效果降低。经试验，本发明选取风道宽度为2-3cm，该宽度能够实现较为理想的预热效果。
可选的，外壳5包括可拆卸的左端盖和右端盖，左端盖和右端盖上分别设有外壳5内相通的安装端9，安装端9的外径根据汽车原有进气管的内径设计；安装端9用于与汽车原有进气管连接，具体是将汽车原有进气管截断，将预热器通过左端盖和右端盖上的安装端连接在进气管上，外壳5内部与进气管连通。可选的，安装端9与进气管的连接采用套接方式，并用铁箍卡紧。可选的，外壳5是铝制的。可选的，外壳的左端盖和右端盖通过螺栓10和螺帽13进行固定，当然也可以采用螺接之外的其他固定方式。
可选的，预热器还包括电热器12，电热器12安装在外壳5内。电热器12用于在汽车启动前起辅助进气预热；电热器12与外壳5之间设有绝热层。可选的，电热器12根据需要可选择螺旋管式、片式或电热丝式。
可选的，所述预热器还包括有垫圈11，垫圈11用于密封外壳5，设在外壳5的左端盖和右端盖之间，防止进气漏气；当然，此处的密封也可以采用除垫圈之外的其他密封方式。
预热器的储暖片组7通过装在汽车排气管后处理装置后的废气进气管取废气，节流阀电控系统控制控制节流阀执行机构动作，打开或关闭节流阀，即打开或关闭进气口4，使废气通过废气进气管进入储暖片组7，空气经过储暖片之间的风道进入发动机气缸时，便被预热。
所述节流阀电控系统包括节流阀、电源、熔断器FU、总开关、电热器电路、电机电路、指示电路和控制电路，所述电热器电路、指示电路、电极电路和控制电路分别并联在电源两端。
节流阀3安装在废气进气管上，用于打开或关闭废气进气口。
可选的，所述电源采用车辆自带电源。
所述电热器电路包括与电源相连接的电热器12，电热器12的正负极分别接电源的正负极。
所述电机电路包括电动机1、接触器K1的常开触点KM1、接触器K2的常开触点KM2和电容C；其中，所述电动机1包括3个接线脚，分别为1号接线脚、2号接线脚和3号接线脚；接触器K1的常开触点KM1和接触器K2的常开触点KM2并联；接触器K1的常开触点KM1连接电动机的1号接线脚和2号接线脚；接触器K2的常开触点KM2连接电动机的2号接线脚和3号接线脚；接触器K1的常开触点KM1和接触器K2的常开触点KM2与电动机M的连接通过改变电源相序使电动机1正反；电容C的两端分别连接电动机1的1号接线脚和2号接线脚，电容C用于防止电动机M中的线圈产生过大的感抗，保护电动机M中的线圈。
所述指示电路包括发光二极管LED、电阻R、接触器K1的常开触点KM1和接触器K2的常开触点KM2，其中，接触器K1的常开触点KM1和接触器K2的常开触点KM2并联形成并联电路，发光二极管LED与该并联支路串联；电阻R上端接发光二极管,下端接电源负极；电阻R为保护电阻，起到限流的作用，防止发光二极管LED由于电流过大被损坏。
所述控制电路包括常闭行程开关LX1、常闭行程开关LX2、接触器K1的常开触点KM1、接触器K2的常开触点KM2、接触器K1的常闭触点KM1-1、接触器K2的常闭触点KM2-1、接触器K1的线圈KM1-X、接触器K2的线圈KM2-X、温控开关TB1和温控开关TB2；它们共形成两条回路：第一条回路：行程开关LX1、接触器K1的常开触点KM1、接触器K2的常闭触点KM2-1和接触器K1的线圈KM1-X串联；温度开关TB1与接触器K1的常开触点KM1并联；第二条回路：行程开关LX2、接触器K2的常开触点KM2、接触器K1的常闭触点KM1-1和接触器K2的线圈KM2-X串联；温度开关TB2与接触器K2的常开触点KM2并联；所述两条回路之间并联；可选的，所述温控开关1是常闭型温控开关,所述温控开关2是常开型温控开关。
熔断器FU的上端连接控制电路，下端连接电源的负极；熔断器FU用于当电路过载时起到保护电路的作用，防止电机因过载而烧坏。
总开关包括开关KF和开关KD；开关KD连接电热器12，开关KF连接节流阀电控系统电路；接通KD，即电加热，用作冷启动辅助加热；接通KF，即将节流阀控制电路接入电源，从而通过总开关控制所有电路的通断。
所述节流阀执行机构包括齿轮组2，齿轮组2的减速比为1:5；齿轮组2的一端连接电动机1的输出轴,另一端连接节流阀3的轴。
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上作出的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例1
指示电路中，发光二极管LED的型号为兴辉光电TKIRP5112C2，是一种直插型小功率红光二极管，额定工作电压为1.5-2V，发光二极管LED亮时，可提醒驾驶员节流阀3正在打开或正在关闭。
接触器K1和接触器K2的型号均为施耐德LC1K0601M7，为由一组线圈和几组开关触点组成的一种控制开关。其额定电压为直流24V,拥有多组触点；
行程开关LX1和行程开关LX2的型号为港瑞鑫PB-22E27，为一种可自复位的微动限位开关。其额定电压为直流24V,拥有一对常闭触点。
不同车型进气温度范围有所不同，一般发动机进气温度在70-100℃为宜。本发明为方便叙述，温控开关TB1采用70℃双金属片式常闭温控开关，即温度为70℃以下时，温控开关TB1是闭合的，温度高于70℃时，温控开关TB1是断开的；温控开关TB2为100℃双金属片式常开温控开关，即温度为100℃以下时，温控开关TB2是断开的，温度高于100℃时，温控开关TB1是闭合的；温控开关主件安装在预热器后的进气道中。
温控开关是一种将定温后的双金属片作为热敏原件的开关，原理是各种金属都有热胀冷缩特性，不同金属随温度变化膨胀系数不同。当开关主件温度升高时所产生的热量传导双金属片上，达到动作设定温度时迅速动作，通过机构作用使原来断开的触点闭合(常开)或原来闭合的触点断开(常闭)；当温度下降到设定的温度下时，双金属片迅速恢复原状，使触点恢复原来状态。
KM1、KM1-1均为接触器K1的触点，两个触点为联动触点，温控开关TB1闭合使接触器K1的线圈KM1-X通电后，触点KM1闭合，触点KM1-1断开；KM2、KM2-1均为接触器K2的触点，温控开关TB2闭合使接触器K2的线圈KM2-X通电后，触点KM2闭合，触点KM2-1断开；此为电路互锁原理，以防止电机正反转两路电源同时接通，损坏用电器；LX1为行程开关1的常闭触点，当节流阀开启到完全打开位置时断开；LX2为行程开关2的常闭触点，当节流阀关闭到完全闭合位置时断开；当行程开关断开时，电路断开，接触器线圈便断电，使接触器闭合的触点弹回。在节流阀处于完全打开位置时,限位开关LX1一直断开,此时限位开关LX2闭合,只有当节流阀关闭,即节流阀的轴离开此位置时LX1才自动复位,即恢复闭合状态；在节流阀处于完全闭合位置时,限位开关LX2一直断开,此时限位开关LX1闭合,只有当节流阀打开,即节流阀的轴离开此位置时LX2才自动复位,即恢复闭合状态。
电动机采用低转速大扭矩直流电机，型号为正科ZGB37RG，其驱动电压为直流24V。
此实施例中，电动机控制电路中元器件的上端是指电流流入的一端，下端是指电流流出的一端。
本发明的工作原理如下：
当车辆处于寒冷低温地区，启动前，驾驶员转动总开关至KD触点，使电热片接通，对进气温度进行预热；当车辆启动后，驾驶员转动开关至KF触点，则接通废气余热预热发动机进气装置的控制电路。
当温度低于70℃时，温度开关TB1是闭合的，温度开关TB2是断开的，接触器K1的线圈KM1-X导通，吸合触点KM1，断开触点KM1-1，此时电动机正向转动，带动执行机构打开废气节流阀；发光二极管LED亮，提醒驾驶员废气节流阀正在开启。待废气节流阀开启到完全打开位置时，限位开关LX1断开，电动机停止转动；发光二极管LED灭，提醒驾驶员废气节流阀已经完全开启。限位开关LX1断开后一直处于断开状态，直到节流阀离开完全开启位置时才能自动复位，即闭合。因此在进气温度为70℃以下，节流阀完全开启后的情况下，虽然温度开关TB1是闭合的，由于限位开关LX1的断开，电机没有接通。
当电动机带动传动机构使废气节流阀打开后，发动机排出的废高温烟气通过废气进气管进入预热器储暖片。从空滤器出来的空气流过储暖片时便可被预热。废气在储暖片内的流动如图4所示。
当温度升高至70℃-100℃之间时，温度开关TB1是断开的，温度开关TB2也是断开的。电机不动作，节流阀一直处于完全开启状态。限位开关LX1为断开状态，限位开关LX2为闭合状态。
当温度高于100℃时，温度开关TB2闭合，此时温度开关TB1仍然是断开，接触器K2的线圈KM2-X导通，吸合触点KM2，断开触点KM2-1，此时电动机反向转动，带动执行机构关闭废气节流阀；发光二极管LED亮，提醒驾驶员废气节流阀正在关闭。待废气节流阀关闭到完全关闭位置时，限位开关LX2断开，电动机停止转动；发光二极管LED灭，提醒驾驶员废气节流阀已经完全关闭。限位开关LX2断开后一直处于断开状态，直到节流阀离开完全关闭位置时才能自动复位，即闭合。因此在进气温度为100℃以上，节流阀完全关闭后，虽然温度开关TB2是闭合的，由于限位开关LX2的断开，电机没有接通。
当节流阀完全关闭状态下，废气进不到储暖片，进气温度开始下降，下降至70-100℃时，温度开关TB2是断开的，温度开关TB1也是断开的。电机不动作，节流阀一直处于完全关闭状态，不进废气。此时行程开关LX1为闭合状态，行程开关LX2为断开状态。
直到进气温度下降到70℃以下，温度开关TB1闭合，重复上述动作。

Claims (8)

1.一种利用废气余热预热发动机进气的装置，其特征在于，包括预热器、节流阀电控系统和节流阀执行机构；
所述预热器包括外壳和安装在外壳内的储暖片组；储暖片组的进气口连接废气进气管；
所述节流阀电控系统包括节流阀、电源、熔断器FU、总开关、电热器电路、电机电路、指示电路和控制电路，其中，所述电热器电路、指示电路、电机电路和控制电路分别并联在电源两端；电机电路包括电动机；节流阀安装在所述废气进气管上；熔断器FU的上端连接控制电路，下端连接电源的负极；总开关包括开关KF和开关KD；开关KD连接电热器电路，开关KF连接节流阀电控系统电路；
所述节流阀执行机构包括齿轮组；齿轮组的一端连接所述电动机的输出轴,另一端连接所述节流阀的轴；
所述储暖片组包括多个叠加设置的储暖片，每个储暖片设有进气口和出气口，前一储暖片的出气口连接后一储暖片的进气口；储暖片组的进气口接在汽车后处理器的排气管上，储暖片组的出气口与大气相通；相邻储暖片之间有一定的间距形成风道；
所述风道的宽度为2-3cm。
2.如权利要求1所述的利用废气余热预热发动机进气的装置，其特征在于，所述外壳包括可拆卸的左端盖和右端盖，左端盖和右端盖上分别设有与外壳内相通的安装端；预热器通过左端盖和右端盖上的安装端连接在进气管上，外壳内部与进气管连通。
3.如权利要求1所述的利用废气余热预热发动机进气的装置，其特征在于，所述预热器还包括电热器，电热器安装在外壳内。
4.如权利要求3所述的利用废气余热预热发动机进气的装置，其特征在于，所述电热器与外壳之间设有绝热层。
5.如权利要求1所述的利用废气余热预热发动机进气的装置，其特征在于，所述预热器还包括有垫圈，垫圈设在外壳的左端盖和右端盖之间。
6.如权利要求1所述的利用废气余热预热发动机进气的装置，其特征在于，所述电机电路包括电动机、接触器K1的常开触点KM1、接触器K2的常开触点KM2和电容C；其中，所述电动机包括3个接线脚，分别为1号接线脚、2号接线脚和3号接线脚；接触器K1的常开触点KM1和接触器K2的常开触点KM2并联；接触器K1的常开触点KM1连接电动机的1号接线脚和2号接线脚；接触器K2的常开触点KM2连接电动机的2号接线脚和3号接线脚；电容C的两端分别连接电动机的1号接线脚和2号接线脚。
7.如权利要求1所述的利用废气余热预热发动机进气的装置，其特征在于，所述指示电路包括发光二极管LED、电阻R、接触器K1的常开触点KM1和接触器K2的常开触点KM2，其中，接触器K1的常开触点KM1和接触器K2的常开触点KM2并联形成并联电路，发光二极管LED与该并联电路串联；电阻R上端接发光二极管,下端接电源负极。
8.如权利要求1所述的利用废气余热预热发动机进气的装置，其特征在于，所述控制电路包括常闭行程开关LX1、常闭行程开关LX2、接触器K1的常开触点KM1、接触器K2的常开触点KM2、接触器K1的常闭触点KM1-1、接触器K2的常闭触点KM2-1、接触器K1的线圈KM1-X、接触器K2的线圈KM2-X、温控开关TB1和温控开关TB2；它们共形成两条回路：第一条回路：行程开关LX1、接触器K1的常开触点KM1、接触器K2的常闭触点KM2-1和接触器K1的线圈KM1-X串联；温度开关TB1与接触器K1的常开触点KM1并联；第二条回路：行程开关LX2、接触器K2的常开触点KM2、接触器K1的常闭触点KM1-1和接触器K2的线圈KM2-X串联；温度开关TB2与接触器K2的常开触点KM2并联；所述两条回路之间并联。
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