CN105569871A - 一种预热型内燃机气缸 - Google Patents

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Abstract

本发明创造公开一种预热型内燃机气缸，包括预热板(1)，燃烧室(2)，活塞(3)，过孔(4)，柔性绝缘导线(5)和(12)，缸体(含缸盖)(6)。在汽车启动点火时，柔性绝缘导线(5)接通电源正极，柔性绝缘导线(12)接电源地，形成电流回路。PTC材料迅速加热燃烧室壁面到居里温度。改善喷溅在活塞表面的燃料液滴的雾化效果，提高燃烧效率，降低尾气排放。

Description

一种预热型内燃机气缸
技术领域
本发明创造涉及一种预热型内燃机气缸，其主要特点是在内燃机燃烧室内嵌入了自控升温材料，因此属于内燃机和新材料应用的交叉技术领域。
背景技术
随着经济发展，自然环境遭到破坏。由不完善的燃烧所产生的汽车尾气对自然环境和人类健康都提出了挑战。在中国始于2013的雾霾，愈演愈烈。
石油是一种重要的战略物资。在石油的消耗中，交通运输不仅占据了很大份额，而且产生了大量的有害排放。汽车尾气中的碳、氮、硫的氧化物及其他有害物特别是苯类分子已成为城市空气污染的主要来源。据有关权威机构统计，空气中42％的污染物来自汽车尾气，而电厂和工业排放则占21和14％。汽车尾气对城市空气污染物的贡献度为：二氧化碳42％、一氧化碳79％，碳氢化合物38％，氮氧化物50％。目前，全球汽车保有量已超过6亿辆，年产量超过5000万辆，按汽车每年平均行驶2万公里计算，每年汽车将排出约28亿吨的有害气体。
从我国状况来看，大中型城市的空气污染已经对大众的身心健康产生影响。据国家环保中心预测，2010年我国汽车尾气排放量占空气污染源的64％。其中80％的CO和HC化合物排放在冷启动过程中产生。
由于汽车排放中50％～80％的HC和CO是在冷启动过程中产生的，所以各国学者对汽车冷启动进行了大量的研究。
20世纪50年代末，A.E.W.Austen和W.T.Lyn，通过测量柴油机冷启动时气缸内的温度和压力，得出了着火因素与压力、温度以及准备着火时间有关的着火规律，建立了一个能反映着火延迟和冷启动的相互关系的简单着火模型。深泽用化学的方法探讨了柴油机冷启动时的着火机理，他通过排气分析，提出了冷启动时的燃烧是一种“低温域的燃烧模型”的设想，并指出燃烧室内燃料在压缩行程中的焰前反应能促进着火。E.Mayer采用直径为0.0008英寸(0.02mm)的热电偶测量出不同发动机压缩循环的最高温度，他指出，最高压缩温度随启动时间和转速而增加，S.W.Jorgensen等对测量技术深入讨论后也得到了类似的试验数据。
近10多年来，李德桃等人分别对柴油机冷启动时的非稳态燃烧及其影响因素，进行了全面的研究，结果发现：除环境温度和可燃混合气的数量和质量外，瞬时转速，上一个循环积累的燃油及其状态，残余废气成分和温度，漏气损失和传热损失，都对冷启动燃烧的不稳定性有较大的影响。通过对柴油机的冷启动过程拍摄高速摄影，测录连续示功图，压缩温度，燃烧室温度和排放成分等基础试验研究以及通过理论分析和计算，大体上搞清了该过程的着火和燃烧现象及其特性，火焰形态，蓝，白烟形成机制，发热规律，从而为进一步的试验研究，理论分析和预测，为改善和控制这一过程奠定了坚实的基础。
黄佐华等研究了冷起动HC排放及其影响因素；程勇等根据实测的汽油机冷起动至催化器起燃时的HC排放、排气管不同位置的温度以及示功图，探讨了汽油机冷起动与暖机过程中不同点火提前角对HC排放的影响；李理光等利用基于循环控制方法分析了汽油机冷起动首次循环喷射脉宽对冷起动着火稳定性的影响，研究了喷油量、点火提前角、蓄电池电压和环境温度对发动机冷起动首循环起动转速及排放的影响。发动机冷起动性能和冷起动工况下的排放与多种因素有关，如燃料喷雾就是非常重要的一个因素。从燃料喷雾方面的基础研究来看，何灵勇等研究认为环境介质温度越高，喷雾射流表面温度越高，扰动波的增长率就越大，喷雾就越容易破碎和雾化；张平等也研究了加热条件下粘性液膜射流大、小尺度破碎模式的破碎机理。
为降低冷起动排放，姚春德采用蓄热箱并适当提高进气温度发现有利于减少HC和CO排放，发动机进气总管内空气加热到70℃时，HC排放可降低36％，CO可降低13％。乔信起等采用富氧进气后发现发动机的HC和CO排放量显著降低。
提高燃油雾化质量能改善发动机冷起动性能、燃烧和排放，特别是冷起动排放。Zimmermann等人在喷油器内部安装加热装置，该喷油器内燃油流量为0.1克/秒与0.7克/秒之间，燃油温度在5秒内可加热到65℃，稳态温度可在70℃与90℃之间，在这种条件下，大约50％的燃油在进气管内变为气态，在20秒的怠速期内发动机产生的HC减少20％。Moon等人的研究表明，随缝隙式喷油器燃油温度的升高，喷注长度降低，喷注宽度增加，而旋涡式喷油器的规律相反；两种喷油器的PDA试验结果表明，随喷油器温度的升高，喷雾粒径减少；缝隙式喷油器在发动机冷起动和暖机过程中的试验表明，随喷油器温度的升高HC降低。
为了改善发动机的燃烧和排放。黄震提出了燃油溶气雾化和喷雾内部废气再循环的新概念：先在高压下将二氧化碳(CO2)溶入燃油，燃油喷入发动机气缸会改善雾化效果，同时CO2的内部废气再循环(EGR)效应，降低NOx排放，并进行了试验研究。Senda等人提出了燃油雾化的雾化和蒸发过程模型，计算的喷雾粒子直径等参数与试验结果吻合。段树林教授等人将燃油雾化应用在煤液化燃料的燃烧上，并用激光全息技术测量了燃油雾化的粒度分布。Adachi等人通过红外发射光谱法对燃油雾化场的浓度进行研究，发现燃油雾化区域的油气混合相对均匀，并建立了燃油雾化的蒸发模型等。乔信起等人采用激光多普勒测速仪(LDA)对稳态燃油雾化速度场进行了研究，认为气相对液体射流的闪急冲击作用是改善雾化的原因。肖进等对溶气燃油在内燃机中的燃烧过程进行了数值计算，研究表明CO2有效降低燃烧初期喷雾区的温度和氧浓度才减少一氧化氮的生成。并用激光相位多普勒技术(PDA)对溶有CO2燃油喷雾速度和粒度特性进行了测量，表明燃油内的溶气量是气爆雾化的主要原因。
随着计算机计算能力和雾化、燃烧理论的发展，目前对内燃机燃烧机理的研究已经由试验研究转向机理研究。更精确的流体建模方法验证技术更加可靠。内燃机的研究正蓬勃发展。
发明内容
本发明提出一种嵌入预热板的内燃机气缸。在汽车冷启动时，预热板接通车载电源，由于此时气缸温度较低，所以正温度系数材料(预热板的材料)的电阻也很小，所以预热板会产生很大功率的热量，并使内燃机燃烧室壁面的温度快速升高。喷溅到燃烧室壁面的燃油液滴可能会直接蒸发(壁面上的燃油温度达到沸点)，或者较快蒸发(壁面燃油温度没有达到沸点时)。这种现象使得内燃机燃烧室的燃油雾化更快，效果更好。进而也使得之后的燃烧效率更高，排放降低。
本发明使用的预热板为正温度系数材料制成，预热板的两面涂镀薄薄的电极层。当预热板的温度低于正温度系数材料的居里温度时，预热板的电阻阻值虽然随着温度变化，但变化的幅值不大，且阻值是比较小的(一般是几欧姆到几十欧姆)。当预热板的温度超过正温度系数材料的居里温度时，预热板的电阻会急剧变大(达到几千甚至几万欧姆)，此时预热板处于高阻状态，功率输出很小，相当于自动切断了电路。
本发明提出的预热型内燃机气缸，仅对内燃机气缸提出预热概念，至于内燃机的其他部件，均无权利要求，故在本专利中没有详细记述。
本发明提出的预热型内燃机气缸，包括预热板(1)，燃烧室(2)，活塞(3)，过孔(4)，柔性绝缘导线(5)和(12)，缸体(含缸盖)(6)等预热相关部件。
本发明所述的预热型内燃机气缸，其特征是：所述的预热板(1)分三层结构，其中与燃烧室(2)接触的表面为金属喷镀耐高温预热板正极(9)，中间层为正温度系数半导体预热板(8)，与活塞(3)接触的表面为金属喷镀的预热板负极(7)。
本发明所述的预热型内燃机气缸，其预热板的正极(9)与柔性绝缘导线(5)相连，并通过过孔(4)，以及活塞(3)，连接到外部电源正极。
本发明所述的预热型内燃机气缸，其预热板的负极(7)与柔性绝缘导线(12)相连，并通过活塞(3)，连接到外部电源负极。
本发明所述的预热型内燃机气缸，其柔性绝缘导线(5)为两层圆柱结构套装在一起，内层圆柱(11)为金属导线，外层(10)为柔性绝缘套管。
附图说明
图1为本发明创造的整体结构示意图。其中序号1是预热板，序号2是燃烧室，序号3是活塞，序号4是过孔，序号5和12是柔性绝缘导线，序号6是缸体(含缸盖)。
图2为本发明创造的燃烧室的俯视图。
图3为本发明创造的预热板2和柔性绝缘导线5，12的结构示意图。其中预热板2分为三层，分布是预热板负极7，正温度系数半导体预热板8和预热板正极9；柔性绝缘导线为两层圆柱状结构，其中那个外层10为柔性绝缘套管，11为圆柱状金属导线。
具体实施方式
本发明提出一种嵌入预热板的内燃机气缸。在汽车点火时，预热板接通车载电源，由于此时气缸温度较低，所以正温度系数材料(预热板的材料)的电阻也很小，所以预热板会产生很大功率的热量，并使内燃机燃烧室壁面的温度快速升高。喷溅到燃烧室壁面的燃油液滴可能会直接蒸发(壁面上的燃油温度达到沸点)，或者较快蒸发(壁面燃油温度没有达到沸点时)。这种现象使得内燃机燃烧室的燃油雾化更快，效果更好。进而也使得之后的燃烧效率更高，排放降低。
本发明使用的预热板为正温度系数材料制成，预热板的两面涂镀薄薄的电极层。当预热板的温度低于正温度系数材料的居里温度时，预热板的电阻阻值虽然随着温度变化，但变化的幅值不大，且阻值是比较小的(一般是几欧姆到几十欧姆)。当预热板的温度超过正温度系数材料的居里温度时，预热板的电阻会急剧变大(达到几千甚至几万欧姆)，此时预热板处于高阻状态，功率输出很小。这时，预热板相当于自动切断了电路。
本发明提出的预热型内燃机气缸，仅对内燃机气缸提出新的发明创造，至于内燃机的其他部件，均无权利要求，故在本专利中没有详细记述。
本发明提出的预热型内燃机气缸，包括预热板(1)，燃烧室(2)，活塞(3)，过孔(4)，柔性绝缘导线(5)和(12)，缸体(含缸盖)(6)。
本发明所述的预热型内燃机气缸，其特征是：所述的预热板(1)分三层结构，其中与燃烧室(2)接触的表面为金属喷镀耐高温预热板正极(9)，中间层为正温度系数半导体预热板(8)，与活塞(3)接触的表面为金属喷镀的预热板负极(7)。
本发明所述的预热型内燃机气缸，其预热板的正极(9)与柔性绝缘导线(5)相连，并通过过孔(4)，以及活塞(3)，连接到外部电源正极。
本发明所述的预热型内燃机气缸，其预热板的负极(7)与柔性绝缘导线(12)相连，并通过活塞(3)，连接到外部电源负极。
本发明所述的预热型内燃机气缸，其柔性绝缘导线(5)为两层圆柱结构套装在一起，内层圆柱(11)为金属导线，外层(10)为柔性绝缘套管。

Claims (5)

1.一种预热型内燃机气缸，包括预热板(1)，燃烧室(2)，活塞(3)，过孔(4)，柔性绝缘导线(5)和(12)，缸体(含缸盖)(6)。
2.根据权利1要求所述的预热型内燃机气缸，其特征是：所述的预热板(1)分三层结构，其中与燃烧室(2)接触的表面为金属喷镀耐高温预热板正极(9)，中间层为正温度系数半导体预热板(8)，与活塞(3)接触的表面为金属喷镀的预热板负极(7)。
3.根据权利1要求所述的预热型内燃机气缸，其预热板的正极(9)与柔性绝缘导线(5)相连，并通过过孔(4)，以及活塞(3)，连接到外部电源正极。
4.根据权利1要求所述的预热型内燃机气缸，其预热板的负极(7)与柔性绝缘导线(12)相连，并通过活塞(3)，连接到外部电源负极。
5.根据权利1要求所述的预热型内燃机气缸，其柔性绝缘导线(5)为两层圆柱结构套装在一起，内层圆柱(11)为金属导线，外层(10)为柔性绝缘套管。
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