CN108691701B

CN108691701B - 用于甲醇燃料发动机的燃烧方法、燃烧系统及加热装置

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Publication number: CN108691701B
Application number: CN201710229795.7A
Authority: CN
Inventors: 刘海平
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-04-10
Filing date: 2017-04-10
Publication date: 2021-01-12
Anticipated expiration: 2037-04-10
Also published as: CN108691701A

Abstract

本发明涉及一种甲醇燃料发动机的燃烧方法、燃烧系统及加热装置。该方法包括：对输入所述甲醇燃料发动机的助燃空气进行加热；将加热后的助燃空气和喷醇器喷出的甲醇燃料混合成混合气，所述甲醇燃料加热汽化后的混合气温度在设定温度范围内，并且所述混合气在所述甲醇燃料发动机的气缸内燃烧做功。另外，加热装置安装在进气管，有自动调节功率或受控调节功率的功能。甲醇燃烧系统根据进气温度、喷出的甲醇量和温度，甲醇燃料发动机的温度，控制加热装置的功率，保证缸内甲醇混合气在设定的温度范围内。

Description

用于甲醇燃料发动机的燃烧方法、燃烧系统及加热装置

技术领域

本发明涉及发动机燃烧技术领域，尤其涉及用于甲醇燃料发动机的燃烧方法、甲醇燃烧系统及加热装置。

背景技术

甲醇作为燃料可以得到较高的燃烧效率，并能够取得较低的一氧化碳CO，碳氢HC和氮氧化合物NOx污染物排放。特别是甲醇汽车产生的PM2.5尾气排放比同排量汽油车柴油车要低得多。大量试验和试点证明了甲醇汽车的安全性，动力性和环保性。

甲醇作为燃料特性上有不足的地方：第一，甲醇的汽化热很高。是汽油的3.6倍，柴油的4.2倍。第二，甲醇的燃烧热值低，只有汽油柴油的一半不到，因而在相同热值需求下，需要加大发动机工作时的喷醇量。如果甲醇燃料的使用量是汽柴油的两倍，那么甲醇汽化时所需要的热量也要再多一倍。如果甲醇的使用量增加50％，汽化时所需的热量也要增加50％。在热能供应不足时，甲醇会汽化不好。没有汽化的甲醇还是液态，没有参与燃烧，造成动力和热效率下降。液态甲醇一部分顺着汽缸壁流入机油池，使机油乳化失去润滑作用。一部分随着尾气排出，造成燃料的浪费。在这个过程中有些甲醇会转化成甲酸和甲醛造成尾气污染。

以上问题甲醇汽车不只是在冷启动时发生，行驶过程全都存在。只是问题的程度不同。在某些特定的情况，尤其是在冬天汽车高速行驶的时候，甲醇汽化造成的混合气温度降低使甲醇燃料发动机燃烧不正常，汽车动力不足甚至熄火。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供可改善甲醇燃料发动机的燃烧稳定性的燃烧方法、甲醇燃烧系统及加热装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种用于甲醇燃料发动机的燃烧方法，包括：

步骤S1：在行驶全过程中，对输入所述甲醇燃料发动机的助燃空气进行加热；

步骤S2：将加热后的所述助燃空气和喷出的甲醇燃料混合成混合气，所述甲醇燃料加热汽化后的混合气温度在设定温度范围内，并且所述混合气在所述甲醇燃料发动机的气缸内燃烧做功；

在所述步骤S1中：通过加热装置对所述助燃空气进行加热；

所述步骤S1包括：

步骤S1-2：通过控制单元来控制所述加热装置的加热功率实现控制加热所述助燃空气的温度；

所述方法还包括步骤S3：通过控制油门踏板的位置来控制喷醇量；

在所述步骤S1-2中，包括：控制单元根据所述喷醇量是否会造成爆震的上限与所述加热装置的加热功率的对应关系来控制所述加热装置的加热功率，保证在所述助燃空气温度改变滞后的情况下，所述喷醇量具有一定的上升空间。

优选的，所述混合气温度受所述助燃空气的温度、所述气缸的水温、甲醇燃料的温度以及喷醇量影响；

在所述步骤S1-2中，所述控制单元根据输入的所述助燃空气的温度、所述水温、甲醇温度和喷醇量，控制所述加热装置的加热功率，来控制加热所述助燃空气的温度，进而控制所述混合气温度。

本发明还提供一种甲醇燃烧系统，包括具有气缸的甲醇燃料发动机、以及与所述甲醇燃料发动机连接输入助燃空气的进气管；所述甲醇燃烧系统还包括在行驶全过程中对所述助燃空气进行加热的加热装置；

将加热后的所述助燃空气和喷出的甲醇燃料混合成混合气，所述混合气加热汽化甲醇后的混合气温度在设定温度范围内，并且所述混合气在所述甲醇燃料发动机的气缸内燃烧做功；

所述加热装置为MCH电加热器，所述甲醇燃烧系统还包括控制单元，通过控制MCH电加热器的加热功率，来控制加热所述助燃空气的温度；

所述控制单元还用于根据喷醇量上限与所述加热装置的加热功率的对应关系，保证在所述助燃空气温度改变滞后的情况下，所述喷醇量具有一定的上升空间。

优选的，所述系统还包括：

甲醇温度传感器，用于监测喷出雾化的温度；

水温传感器，用于监测所述气缸缸体的水温温度；

空气温度传感器，用于监测加热后的助燃空气的温度；以及

踏板位置传感器，用于监测油门踏板位置得到对应的喷醇量；

所述控制单元根据输入的所述助燃空气的温度、所述水温、甲醇温度和喷醇量，控制所述加热装置的加热功率，来控制加热所述助燃空气的温度，进而控制所述混合气温度。

本发明还提供一种用于前述任一项所述的燃烧方法的甲醇燃烧系统的加热装置，所述加热装置包括具有供助燃空气通过的流通通道的散热器、以及设置在所述散热器上的加热器件。

优选的，所述散热器包括金属外圈；在所述金属外圈内设有三个第一导热基板，均匀分布在所述金属外圈的内侧圆周上；每一所述第一导热基板包括中间部，以及在所述中间部两侧设置、与所述金属外圈连接的连接部。

优选的，所述加热装置为陶瓷MCH电加热器，包括分别与所述第一导热基板相对设置的三个MCH陶瓷加热管、以及设置在所述金属外圈圆心位置的金属内管；所述MCH陶瓷加热管被所述金属内管压紧在第一导热基板上；所述MCH陶瓷加热管产生的热量通过所述第一导热基板、金属内管传导至所述金属内管和金属外圈所形成的流通通道。

优选的，所述MCH陶瓷加热管的一个电极分别与所述第一导热基板和金属内管压紧电连接，另一电极引线被套在绝缘管内，分别从所述金属外圈引出。

本发明与现有技术相比具有如下优点：通过将输入到甲醇燃料发动机的助燃空气进行加热，保证了甲醇的充分汽化，使得进入甲醇燃料发动机的甲醇混合气的温度可以在设定的温度范围内，使甲醇燃料发动机具有燃烧稳定、不会失火和爆震的优点。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明的用于甲醇燃烧系统的燃烧方法的流程示意图。

图2是本发明的加热装置一个实施例的示意图。

图3是本发明的加热装置又一个实施例的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域其他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。

如图1所示，本发明实施例公开了一种用于甲醇燃料发动机的燃烧方法，包括以下步骤：

S101：对输入甲醇燃料发动机的助燃空气进行加热。如前所述，在使用甲醇燃料时，由于甲醇的热值比汽油低，需要使用更多的甲醇燃料；而甲醇燃料汽化时需要大量吸热，使得甲醇燃料发动机的气缸内温度会下降很多，导致甲醇燃料不能正常燃烧。另外，由于甲醇燃料发动机工作时，甲醇燃料与助燃空气的质量比差一个数量级，因此，加热助燃空气，能更有效地提升甲醇燃料与助燃空气的混合气的温度。尤其是在冷启动时，水温较低，而水温的提升需要很长时间，因此，直接加热助燃空气来提升混合气的温度具有更高的效率和可行性。对助燃空气的加热，可以利用加热装置进行加热，该加热装置的一个具体实施方式可如图2所示，详后述。当然，对助燃空气的加热方式还可以采用现有的各种方式，例如用其他加热装置对助燃空气进行加热。

在低圧缩比或汽油发动机使用甲醇燃料时，陶瓷PTC加热器自动改变加热功率来控制加热助燃空气的温度。例如，使用陶瓷PTC加热器进行加热，发动机转速升高时使助燃空气流量加大带走更多的热量，有使加热器表面温度降低的趋势。陶瓷PTC加热片的电阻(在正温度系数段)随温度降低而变小，使得通过的电流和功率变大，进而温度上升，从而保证了表面温度的稳定。通过自动改变加热功率来控制助燃空气的温度。

在高压缩比或柴油发动机使用甲醇燃料时，可以通过控制单元来控制加热装置的加热功率实现控制加热助燃空气的温度。例如，使用陶瓷MCH电加热器进行加热。混合气温度受助燃空气的温度、气缸的水温、甲醇燃料的甲醇温度以及喷醇量影响。控制单元根据输入的助燃空气的温度、水温、甲醇温度和喷醇量，控制加热装置的加热功率，来控制加热助燃空气的温度，也就控制了在汽缸内甲醇混合气的温度。保证甲醇能够充分汽化和燃烧时不会发生爆震。

进一步的，通过控制油门踏板的位置来控制喷醇量。由于水温、甲醇温度和油门踏板位置是输入量，其中水温、甲醇温度的变化缓慢。而喷醇量和甲醇燃料发动机的负荷有关，受油门踏板位置控制有时变化较快。由于加热装置的功率可能没有油门踏板位置改变的快，需要通过控制单元的标定找出在甲醇燃烧不会爆震的情况下，加热装置的加热功率和喷醇量上限的关系曲线。根据喷醇量上限与加热装置的加热功率的对应关系来控制所述加热装置的加热功率，保证在助燃空气温度改变滞后的情况下，喷醇量具有一定的上升空间，不影响汽车加速。

S102：将加热后的助燃空气和喷出的甲醇燃料混合成混合气，使甲醇加热汽化后的混合气温度在设定温度范围内，并且混合气在甲醇燃料发动机的气缸内燃烧做功。控制单元通过喷醇量，确定助燃空气加热的温度，控制陶瓷MCH电加热器的功率从而控制混合后的混合气的温度，保证甲醇的充分汽化，进而保证了甲醇的稳定燃烧，提高燃烧效率。

如图2所示，是本发明的加热装置的一个实施例的示意图，该加热装置可用于上述实施例的甲醇助燃空气的加热。当然，该加热装置还可以用于其他类似气体加热的场合。

该加热装置用于对助燃空气进行加热，包括具有供助燃空气通过的流通通道13的散热器、以及设置在散热器上的加热器件17。利用加热器件17对助燃空气进行加热，再通过散热器将热量散发至通过的流通通道13的助燃空气，从而将助燃空气加热到合适的温度。

该散热器包括金属外圈11、以及金属内圈12。流通通道13包括在金属外圈11与金属内圈12之间形成的通道、和/或在金属内圈12内形成的通道；加热器件17设置在金属内圈12外侧、和/或设置在金属外圈11的内侧。

如图所示，本实施例的金属外圈11内设有第一导热基板14；内圈包括与第一导热基板14相对的第二导热基板15。加热器件17设置在第一导热基板14和第二导热基板15之间，并且加热器件17产生的热量通过第一导热基板14和第二导热基板15传递至流通通道13。

进一步的，在第一导热基板14和/或第二导热基板15上设有导热筋条16，可以增大散热面积，从而可以将第一导热基板14、第二导热基板15上的热量更好的散发至流通通道13，进而可以加快升温。

在本实施例中，第一导热基板14包括三个，均匀分布在外圈的内侧圆周上。每一第一导热基板14包括中间部，以及在中间部两侧设置、与外圈连接的连接部。对应的，第二导热基板15为三个，与中间部对应设置，并且在第二导热基板15内侧围成中心通道。加热器件17被夹持在第二导热基板15和第一导热基板14的中间部之间，加热器件17发热产生的热量通过第一导热基板14的中间部和连接部传递到金属外圈11上；并通过第二导热基板15传递到金属内圈12上，进而可以加热流通通道13中流过的助燃空气。

可以理解的，金属外圈11、金属内圈12的形状、结构可以根据实际需要进行调整，只要具有供助燃空气流过的通道、以及可将通道内的空气进行加热。

在本实施例中，加热装置为陶瓷PTC加热器，其中，加热器件17为多个陶瓷PTC加热片，陶瓷PTC加热片夹紧在第一导热基板14和第二导热基板15之间，并且陶瓷PTC加热片的第一电极、第二电极分别直接与第一导热基板14和第二导热基板15电连接。再通过导线将第一导热基板14和第二导热基板15分别连接到电源的正负极，即可为陶瓷PTC加热片引入电源。

在本实施例中，分别利用第一导热基板14和第二导热基板15作为电极，从而省略了陶瓷PTC加热片的连接导线，进一步的简化了结构。当然，陶瓷PTC加热片的安装位置、电源引入还可以采用其他的方式。

由于陶瓷PTC加热片的表面温度是可以选择的，因此，选择一个合适的表面温度，以使助燃空气与甲醇燃料汽化后的混合气在甲醇燃料发动机的气缸内达到最佳的燃烧温度。而且，陶瓷PTC加热片的表面温度(在正温度系数段)不受环境温度(进气温度)和进气量大小的影响，自动改变陶瓷PTC加热片的功率保持表面温度。

另外，陶瓷PTC加热片的电阻(在正温度系数段)是随本身温度变化而变化的，电阻的改变使得通过的电流和功率改变，比如温度降低导致电阻变小，电流随之变大功率加大，进而温度上升，从而保证了温度的平衡。

在甲醇车冷启动时，启动开关先转到ON档，接通加热装置(陶瓷PTC加热器)，陶瓷PTC加热器有很大的冲击电流，使得陶瓷PTC加热器在很短时间内迅速升温，达到设定的表面温度，然后电流下降。此时，进气管内助燃空气被加热。启动开关启动发动机时，陶瓷PTC加热器的电流关断，对启动机的电流没有影响。发动机启动后加热器由发电机供电，保证了电瓶安全，而助燃空气达到设定温度要求。

进一步的，第一导热基板14和第二导热基板15之间距离与陶瓷PTC加热片的厚度相同，三者通过过盈配合固定连接，具有装配简单快捷的优点。

如图3所示，是本发明的加热装置的另一实施例，包括金属外圈21，该金属外圈21与上一实施例基本相同，在金属外圈21内设有三个第一导热基板24，均匀分布在金属外圈21的内侧圆周上；每一第一导热基板24包括中间部，以及在中间部两侧设置、与金属外圈21连接的连接部。可以理解的，该中间部的形状与MCH陶瓷加热管25的形状相匹配，可以理解的，其形状可以根据需要进行调整。

本实施例中的加热装置为陶瓷MCH电加热器，包括分别与第一导热基板24相对设置的三个MCH陶瓷加热管25、以及设置在金属外圈21圆心位置的金属内管22。MCH陶瓷加热管25被金属内管22压紧在第一导热基板24上；MCH陶瓷加热管25产生的热量通过第一导热基板24、金属内管22传导至金属内圈和金属外圈21所形成的流通通道23，从而加热流过的助燃空气。

在本实施例中，MCH陶瓷加热管25的一个电极分别与第一导热基板24和金属内管22压紧电连接，另一电极引线被套在绝缘管内，分别从金属外圈21引出，从而方便接线。

在本发明的甲醇燃烧系统的一个实施例中，该甲醇燃烧系统包括甲醇燃料发动机、进气管、加热装置等。当然，该甲醇燃烧系统还包括输入甲醇燃料的喷醇器、用于进行点火的火花塞等其他配套装置，由于不在本发明的改进范围内，故不赘述。

该进气管与甲醇燃料发动机连接，用于接入助燃空气。为了对助燃空气进行加热，在该进气管设置有加热装置，该加热装置可以采用上述实施例的加热装置，从而对进入甲醇燃料发动机的助燃空气进行加热，将加热后的助燃空气和喷出的甲醇燃料混合成混合气，甲醇加热汽化后的混合气温度在设定温度范围内，并且混合气进入甲醇燃料发动机的气缸内燃烧做功，保证甲醇燃料发动机的缸体内温度，从而保证燃烧效率和稳定性。

汽油发动机使用甲醇燃料时，陶瓷PTC电加热器可以不受控制器控制，通过自动改变加热功率来控制加热助燃空气的温度。例如，采用陶瓷PTC加热器进行加热，在发动机转速升高时，助燃空气流量加大带走更多的热量，有使加热器表面温度降低的趋势。由于陶瓷PTC加热片的电阻(在正温度系数段)是随本身温度降低而变小，使得通过的电流和功率变大，进而温度上升，从而保证了表面温度的稳定。通过自动改变加热功率来控制助燃空气的温度。

在甲醇发动机或柴油发动机使用甲醇燃料时，该甲醇燃烧系统可以采用图3所示的加热装置。该甲醇燃烧系统还包括控制单元，可以通过控制单元来控制陶瓷MCH电加热器的加热功率实现控制助燃空气的温度。混合气温度受助燃空气的温度、气缸的水温、甲醇燃料的温度以及喷醇量影响。对应的，该甲醇燃烧系统包括甲醇温度传感器，用于监测喷出雾化的甲醇温度；水温传感器，用于监测所述气缸的水温温度；空气温度传感器，用于监测加热后的助燃空气的温度；以及踏板位置传感器，用于监测所述油门踏板位置得到喷醇量。

控制单元根据输入的助燃空气的温度、水温、甲醇温度和喷醇量，控制加热装置的加热功率，来控制加热助燃空气的温度，进而控制混合气温度，也就控制了在汽缸内甲醇混合气的温度。保证甲醇能够充分汽化和燃烧时不会发生爆震。

本发明实施例方法中的步骤可以根据实际需要进行顺序调整、组合和增减。本发明实施例设备中的模块或子模块可以根据实际需要进行组合和增减。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，不能以此来限定本发明的权利范围，本领域其他技术人员实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims

1.一种用于甲醇燃料发动机的燃烧方法，其特征在于，包括：

在所述步骤S1中：通过加热装置对所述助燃空气进行加热；

所述步骤S1包括：

2.根据权利要求1所述的燃烧方法，其特征在于，所述混合气温度受所述助燃空气的温度、所述气缸的水温、甲醇燃料的温度以及喷醇量影响；

3.一种甲醇燃烧系统，包括具有气缸的甲醇燃料发动机、以及与所述甲醇燃料发动机连接输入助燃空气的进气管；其特征在于，所述甲醇燃烧系统还包括在行驶全过程中对所述助燃空气进行加热的加热装置；

4.根据权利要求3所述的甲醇燃烧系统，其特征在于，所述系统还包括：

甲醇温度传感器，用于监测喷出雾化的温度；

水温传感器，用于监测所述气缸缸体的水温温度；

空气温度传感器，用于监测加热后的助燃空气的温度；以及

5.一种用于权利要求1-2任一项所述的燃烧方法的甲醇燃烧系统的加热装置，其特征在于，所述加热装置包括具有供助燃空气通过的流通通道的散热器、以及设置在所述散热器上的加热器件。

6.根据权利要求5所述的用于甲醇燃烧系统的加热装置，其特征在于，所述散热器包括金属外圈；在所述金属外圈内设有三个第一导热基板，均匀分布在所述金属外圈的内侧圆周上；每一所述第一导热基板包括中间部，以及在所述中间部两侧设置、与所述金属外圈连接的连接部。

7.根据权利要求6所述的用于甲醇燃烧系统的加热装置，其特征在于，所述加热装置为陶瓷MCH电加热器，包括分别与所述第一导热基板相对设置的三个MCH陶瓷加热管、以及设置在所述金属外圈圆心位置的金属内管；所述MCH陶瓷加热管被所述金属内管压紧在第一导热基板上；所述MCH陶瓷加热管产生的热量通过所述第一导热基板、金属内管传导至所述金属内管和金属外圈所形成的流通通道。

8.根据权利要求7所述的用于甲醇燃烧系统的加热装置，其特征在于，所述MCH陶瓷加热管的一个电极分别与所述第一导热基板和金属内管压紧电连接，另一电极引线被套在绝缘管内，分别从所述金属外圈引出。