CN109555623B - 一种用排气加热进气的发动机智能冷启动装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用排气加热进气的发动机智能冷启动装置及控制方法，包括以下步骤：(1)在冷启动前，电子控制单元ECU采集温度传感器信号，根据环境温度数据查表得到最佳进气温度。电子控制单元ECU控制将进气加热至最佳温度。(2)当进气出口端空气温度稳定后，发动机开始正常工作。当排气温度稳定后，电子控制单元ECU读取排气温度数据，通过排气加热进气至最佳温度。(3)电子控制单元ECU根据最佳进气温度和实际测量的进气温度差值及排气温度，电子控制单元ECU通过改变各阀门的开度值来实时调节实际进气温度达到最佳温度。本发明通过负反馈调节可以实现对进气温度的实时、智能控制，可以适应不同的低温环境。

Description

一种用排气加热进气的发动机智能冷启动装置及控制方法

技术领域

本发明涉及内燃机技术领域，特别涉及在高原高寒等极端环境下一种利用排气温度加热进气的发动机智能冷启动装置及控制方法。

背景技术

我国地势复杂，高原约占全国陆地总面积的26％。高原环境具有压力低、平均温度低、氧浓度低等特点。在我国北方的大部分区域，冬季环境温度通常在0℃以下，黑龙江省根河市冬季最低温度可达-58℃。

柴油机具有热效率高、单位功率重量小、功率密度高、燃料适应性好、成本低、可靠性高等优点，在移动式动力装置中占有支配地位，未来柴油机仍然是我国最为重要的基础制造业之一。

在寒冷条件下，由于空气温度和冷却系统温度很低，喷入柴油机内部的燃料不能正常燃烧，导致柴油机无法顺利启动，同时也造成了更高的污染物排放。在低温环境下，柴油机润滑系统不能正常工作，会造成活塞环、气缸套等零部件之间的磨损加剧，更严重的情况下会破坏发动机的整体结构。而喷入柴油机的燃料通过缸内燃烧后，30％左右的能量以废热的形式被排气带走，这一部分能量往往不能得到有效利用。因此可以制造一种利用排气温度加热进气的发动机智能冷启动装置，使发动机在高原高寒等极端环境下实现快速、平稳冷启动。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的不足，提供一种在高原高寒环境利用排气加热进气的发动机智能冷启动装置及控制策略，使发动机在高原高寒等极端环境下实现快速、平稳冷启动。

一种在高原高寒环境利用排气加热进气的发动机智能冷启动装置，包括换热箱，所述的换热箱包括一个U形回路腔体，所述的U形回路腔体的两个侧腔室上下设置，其中上部的侧腔室为进气流入腔，下部的侧腔室为进气流出腔，所述的U形回路腔体的上U形管口位于左侧为进气进口端且下U形管口位于左侧为进气出口端，所述的进气进口端和进气出口端与发动机进气总管连通，在所述的进气流入腔的左右两侧以及进气流出腔的左右两侧各安装有一组电加热丝，在所述的进气流入腔内靠近进气进口端安装有进气进口端控制阀，在所述的进气流出腔内靠近进气出口端处安装有用于测量进气出口端空气温度的进气出口端温度传感器；

在所述的进气流出腔的底壁上连接有排气进气流道，所述的排气进气流道的右侧为排气进口端，在靠近所述的排气进口端的排气进气流道内装有排气进口端控制阀，位于所述的进气流入腔的底壁、进气流出腔的顶壁之间安装有固定板形成密闭的中间腔体，进气流入腔的底壁、进气流出腔的顶壁以及进气流出腔的底壁分别形成进气流入腔与中间腔体、中间腔体与进气流出腔、进气流出腔与排气进气流道之间的换热壁面；

在所述的中间腔体左侧的前后侧壁上分别开有通道出口，在排气进气流道左侧的前后侧壁上分别开有通道入口，位于前侧的通道出口与前侧的通道入口之间通过第一连接管路连通，位于后侧的通道出口与后侧的通道入口之间通过第二连接管路连通，在所述的中间腔体右侧的前后侧壁上分别开有排气通道入口，两个所述的排气通道入口分别与第三连接管路、第四连接管路的一端相连通，所述的第三连接管路的排气出口端、第四连接管路的排气出口端以及排气进口端分别与发动机排气总管连通；

一个进气节流阀安装在位于进气进口端和进气出口端之间的发动机进气总管内，一个排气节流阀安装在位于排气进口端和排气出口端之间的发动机排气总管内；

在所述的排气进口端正对的发动机排气总管的管壁上装有排气进口端温度传感器，测量排气进口端的排气温度；

一个环境温度传感器安装在发动机外部，电子控制单元ECU分别通过控制线与进气门、排气门、喷油器、进气进口端控制阀、排气进口端控制阀、进气节流阀、排气节流阀、进气出口端温度传感器、排气进口端温度传感器、环境温度传感器、四组电加热丝相连。

一种用排气加热进气的发动机智能冷启动控制方法，包括以下步骤：

(1)在冷启动之前，司机给电子控制单元ECU发出一个准备启动信号，电子控制单元ECU控制进气节流阀关闭、进气进口端控制阀打开、排气节流阀关闭、排气进口端控制阀打开，四组电加热丝接通电源开始工作，进气门、排气门打开，环境温度传感器向电子控制单元ECU传输环境温度数据，电子控制单元ECU根据读取的环境温度数据通过查表得到与该温度对应的最佳进气温度，电子控制单元ECU然后控制启动电机带动曲轴旋转，进气空气通过进气进口端进入换热箱的进气进口端，进气空气经过四组电热丝加热后温度升高，进气出口端温度传感器检测进气出口端空气温度，并将进气出口端空气温度数据反馈给电子控制单元ECU，电子控制单元ECU则根据计算出的最佳进气温度和进气出口端温度传感器实际测量的进气温度的差值，通过改变四组电加热丝的功率以调节实际进气温度达到最佳进气温度，同时起动机带动曲轴转动，曲轴转动带动活塞上下往复运动，通过排气进口端温度传感器检测排气温度，并将排气温度数据传输给电子控制单元；

(2)发动机冷启动：

(a)当电子控制单元ECU检测的进气出口端空气温度稳定到最佳进气温度且排气温度稳定后，喷油器在标定位置喷油，发动机开始正常工作，进气空气通过进气门进入气缸内与燃料混合后被活塞压燃，燃烧后废气经过排气门排出到发动机排气总管中，同时通过排气进口端温度传感器检测排气温度，并将排气温度数据传输给电子控制单元ECU；

(b)当排气温度稳定后，电子控制单元ECU读取稳定后的排气温度数据，ECU根据排气温度数据查表得到在此排气温度下需要开启或关闭排气节流阀和排气进口端控制阀的角度，以实现在所述的换热箱中通过排气加热进气维持进气温度至最佳进气温度；

(c)电子控制单元ECU向排气节流阀和排气进口端控制阀输出开度控制信号以控制排气节流阀和排气进口端控制阀调整至设定的开度，同时控制四组电加热丝停止工作，保持进气节流阀关闭、进气进口端控制阀打开，此时排气通过排气进口端进入换热箱内，经排气出口端流出至发动机排气总管中，高温排气通过各换热壁面将热量释放给进气空气，进气空气通过进气进口端进入换热箱内，经进气出口端流出至发动机进气总管中，进气空气通过各换热壁面吸收排气所释放的热量，温度升高；

(d)通过进气出口端温度传感器检测进气出口端空气温度，并将进气出口端空气温度数据反馈给电子控制单元ECU，通过排气进口端温度传感器检测排气温度，并将排气温度数据传输给电子控制单ECU，电子控制单元ECU则根据所述的最佳进气温度和进气出口端温度传感器实际测量的进气温度的差值及排气温度，通过查表得到排气节流阀和排气进口端控制阀的开度值，电子控制单元ECU然后通过改变排气节流阀和排气进口端控制阀的开度实时调节实际进气温度达到最佳进气温度，从而利用排气温度加热进气，实现了发动机冷启动；

(3)当发动机在冷启动工况平稳运行一段时间后，ECU控制进气节流阀打开、进气进口端控制阀关闭、排气节流阀打开、排气进口端控制阀关闭，四组电加热丝断开电源停止工作，发动机进行正常的进气、压缩、膨胀做功、排气四个冲程。

与现有技术相比，本发明具有以下优势：

第一，与传统电加热方式相比，本发明使用了小比例的电能，主要通过排气加热进气，有效利用了排气能量，提高了发动机的整体热效率。

第二，本发明通过负反馈调节可以实现对进气温度的实时、智能控制，可以适应不同的低温环境。

第三，本发明结构较简单，成本低，维护保养方便。

附图说明

图1是本发明的利用排气加热进气的发动机智能冷启动装置的结构示意图。

图2是本发明的利用排气加热进气的发动机智能冷启动装置的三维结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如附图所示的本发明是一种在高原高寒环境利用排气加热进气的发动机智能冷启动装置，包括换热箱16，所述的换热箱16包括一个U形回路腔体，所述的U形回路腔体的两个侧腔室上下设置，其中上部的侧腔室为进气流入腔，下部的侧腔室为进气流出腔，所述的U形回路腔体的上U形管口位于左侧为进气进口端13并且下U形管口位于左侧为进气出口端9。所述的进气进口端13和进气出口端9与发动机进气总管4连通。在所述的进气流入腔的左右两侧以及进气流出腔的左右两侧各安装有一组电加热丝14、20、10、6。在所述的进气流入腔内靠近进气进口端13安装有进气进口端控制阀12，在所述的进气流出腔内靠近进气出口端9处安装有进气出口端温度传感器8，用于测量进气出口端的空气温度。

在所述的进气流出腔的底壁19上连接有排气进气流道，所述的排气进气流道的右侧为排气进口端22，在靠近所述的排气进口端22的排气进气流道内装有排气进口端控制阀23，位于所述的进气流入腔的底壁17、进气流出腔的顶壁18之间安装有固定板形成密闭的中间腔体，进气流入腔的底壁17、进气流出腔的顶壁18以及进气流出腔的底壁19分别形成进气流入腔与中间腔体、中间腔体与进气流出腔、进气流出腔与排气进气流道之间的换热壁面。

在所述的中间腔体左侧的前后侧壁上分别开有通道出口15，在排气进气流道左侧的前后侧壁上分别开有通道入口7，位于前侧的通道出口15与前侧的通道入口7之间通过第一连接管路30连通，位于后侧的通道出口15与后侧的通道入口7之间通过第二连接管路31连通。在所述的中间腔体右侧的前后侧壁上分别开有排气通道入口21，两个所述的排气通道入口21分别与第三连接管路32、第四连接管路33的一端相连通，所述的第三连接管路32的排气出口端24、第四连接管路33的排气出口端以及排气进口端22分别与发动机排气总管26连通。

一个进气节流阀11安装在位于进气进口端13和进气出口端9之间的发动机进气总管4内，保证当进气节流阀11关闭时，进气流向所述的换热箱16的进气进口端13；当进气节流阀打开时，进气通过发动机进气总管4流入气缸中。

一个排气节流阀25安装在位于排气进口端22和排气出口端24之间的发动机排气总管26内，可以保证当排气节流阀25关闭时，排气流向所述的换热箱16的排气进口端22；当进气节流阀打开时，进气通过发动机排气总管26流出气缸。

在所述的排气进口端22正对的发动机排气总管26的管壁上装有排气进口端温度传感器27，测量排气进口端的排气温度。

一个环境温度传感器29安装在发动机外部。电子控制单元ECU28分别通过控制线与进气门3、排气门2、喷油器5、进气进口端控制阀12、排气进口端控制阀23、进气节流阀11、排气节流阀25、进气出口端温度传感器8、排气进口端温度传感器27、环境温度传感器29、四组电加热丝14、20、6、10相连。

优选的每组电加热丝编织为三层网状结构。

一种用排气加热进气的发动机智能冷启动控制方法，包括以下步骤：

(1)在冷启动之前，司机给电子控制单元ECU28发出一个准备启动信号，电子控制单元ECU28控制进气节流阀11关闭、进气进口端控制阀12打开、排气节流阀25关闭、排气进口端控制阀23打开，四组电加热丝14、20、6、10接通电源开始工作，进气门3、排气门2打开。环境温度传感器29向电子控制单元ECU28传输环境温度数据，电子控制单元ECU28根据读取的环境温度数据通过查表得到与该温度对应的最佳进气温度，电子控制单元ECU28然后控制启动电机带动曲轴旋转，进气空气通过进气进口端13进入换热箱16的进气进口端，进气空气经过四组电热丝14、20、6、10加热后温度升高。进气出口端温度传感器8检测进气出口端空气温度，并将进气出口端空气温度数据反馈给电子控制单元ECU28。电子控制单元ECU28则根据计算出的最佳进气温度和进气出口端温度传感器8实际测量的进气温度的差值，通过改变四组电加热丝14、20、6、10的功率以调节实际进气温度达到最佳进气温度。同时起动机带动曲轴转动，曲轴转动带动活塞1上下往复运动。通过排气进口端温度传感器27检测排气温度，并将排气温度数据传输给电子控制单元ECU28。

本步骤中不同环境温度下对应的理论最佳进气温度可以通过实验标定获得。

(2)发动机冷启动：

(a)当电子控制单元ECU28检测的进气出口端空气温度稳定到最佳进气温度且排气温度稳定后，喷油器5在标定位置喷油，发动机开始正常工作。进气空气通过进气门3进入气缸内与燃料混合后被活塞1压燃，燃烧后废气经过排气门2排出到发动机排气总管26中。同时通过排气进口端温度传感器27检测排气温度，并将排气温度数据传输给电子控制单元ECU28。

(b)当排气温度稳定后，电子控制单元ECU28读取稳定后的排气温度数据，ECU28根据排气温度数据查表得到在此排气温度下需要开启或关闭排气节流阀25和排气进口端控制阀23的角度，以实现在所述的换热箱16中通过排气加热进气维持进气温度至最佳进气温度。

(c)电子控制单元ECU28向排气节流阀25和排气进口端控制阀23输出开度控制信号以控制排气节流阀25和排气进口端控制阀23调整至设定的开度，同时控制四组电加热丝14、20、6、10停止工作，保持进气节流阀11关闭、进气进口端控制阀12打开。此时排气通过排气进口端22进入换热箱16内，经排气出口端24流出至发动机排气总管26中。高温排气通过各换热壁面将热量释放给进气空气。进气空气通过进气进口端13进入换热箱16内，经进气出口端9流出至发动机进气总管4中。进气空气通过各换热壁面吸收排气所释放的热量，温度升高。

(d)通过进气出口端温度传感器8检测进气出口端空气温度，并将进气出口端空气温度数据反馈给电子控制单元ECU28。通过排气进口端温度传感器27检测排气温度，并将排气温度数据传输给电子控制单ECU28。电子控制单元ECU28则根据所述的最佳进气温度和进气出口端温度传感器8实际测量的进气温度的差值及排气温度，通过查表得到排气节流阀25和排气进口端控制阀23的开度值，电子控制单元ECU28然后通过改变排气节流阀25和排气进口端控制阀23的开度实时调节实际进气温度达到最佳进气温度。从而利用排气温度加热进气，实现了发动机冷启动。

本步骤中与所述的最佳进气温度和进气出口端温度传感器8实际测量的进气温度的差值及排气温度相对应的需要开启或关闭排气节流阀25和排气进口端控制阀23的角度的可以通过实验标定得到。

(3)当发动机在冷启动工况平稳运行一段时间后，ECU28控制进气节流阀11打开、进气进口端控制阀12关闭、排气节流阀25打开、排气进口端控制阀23关闭，四组电加热丝14、20、6、10断开电源停止工作。发动机进行正常的进气、压缩、膨胀做功、排气四个冲程。

Claims (3)

1.一种在高原高寒环境利用排气加热进气的发动机智能冷启动装置，其特征在于：包括换热箱，所述的换热箱包括一个U形回路腔体，所述的U形回路腔体的两个侧腔室上下设置，其中上部的侧腔室为进气流入腔，下部的侧腔室为进气流出腔，所述的U形回路腔体的上U形管口位于左侧为进气进口端且下U形管口位于左侧为进气出口端，所述的进气进口端和进气出口端与发动机进气总管连通，在所述的进气流入腔的左右两侧以及进气流出腔的左右两侧各安装有一组电加热丝，在所述的进气流入腔内靠近进气进口端安装有进气进口端控制阀，在所述的进气流出腔内靠近进气出口端处安装有用于测量进气出口端空气温度的进气出口端温度传感器；

在所述的进气流出腔的底壁上连接有排气进气流道，所述的排气进气流道的右侧为排气进口端，在靠近所述的排气进口端的排气进气流道内装有排气进口端控制阀，位于所述的进气流入腔的底壁、进气流出腔的顶壁之间安装有固定板形成密闭的中间腔体，进气流入腔的底壁、进气流出腔的顶壁以及进气流出腔的底壁分别形成进气流入腔与中间腔体、中间腔体与进气流出腔、进气流出腔与排气进气流道之间的换热壁面；

在所述的中间腔体左侧的前后侧壁上分别开有通道出口，在排气进气流道左侧的前后侧壁上分别开有通道入口，位于前侧的通道出口与前侧的通道入口之间通过第一连接管路连通，位于后侧的通道出口与后侧的通道入口之间通过第二连接管路连通，在所述的中间腔体右侧的前后侧壁上分别开有排气通道入口，两个所述的排气通道入口分别与第三连接管路、第四连接管路的一端相连通，所述的第三连接管路的排气出口端、第四连接管路的排气出口端以及排气进口端分别与发动机排气总管连通；

一个进气节流阀安装在位于进气进口端和进气出口端之间的发动机进气总管内，一个排气节流阀安装在位于排气进口端和排气出口端之间的发动机排气总管内；

在所述的排气进口端正对的发动机排气总管的管壁上装有排气进口端温度传感器，测量排气进口端的排气温度；

一个环境温度传感器安装在发动机外部，电子控制单元ECU分别通过控制线与进气门、排气门、喷油器、进气进口端控制阀、排气进口端控制阀、进气节流阀、排气节流阀、进气出口端温度传感器、排气进口端温度传感器、环境温度传感器、四组电加热丝相连。

2.根据权利要求1所述的在高原高寒环境利用排气加热进气的发动机智能冷启动装置，其特征在于：每组电加热丝编织为三层网状结构。

3.采用权利要求1或2所述的装置实现发动机智能冷启动控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)在冷启动之前，司机给电子控制单元ECU发出一个准备启动信号，电子控制单元ECU控制进气节流阀关闭、进气进口端控制阀打开、排气节流阀关闭、排气进口端控制阀打开，四组电加热丝接通电源开始工作，进气门、排气门打开，环境温度传感器向电子控制单元ECU传输环境温度数据，电子控制单元ECU根据读取的环境温度数据通过查表得到与该温度对应的最佳进气温度，电子控制单元ECU然后控制启动电机带动曲轴旋转，进气空气通过进气进口端进入换热箱的进气进口端，进气空气经过四组电热丝加热后温度升高，进气出口端温度传感器检测进气出口端空气温度，并将进气出口端空气温度数据反馈给电子控制单元ECU，电子控制单元ECU则根据计算出的最佳进气温度和进气出口端温度传感器实际测量的进气温度的差值，通过改变四组电加热丝的功率以调节实际进气温度达到最佳进气温度，同时起动机带动曲轴转动，曲轴转动带动活塞上下往复运动，通过排气进口端温度传感器检测排气温度，并将排气温度数据传输给电子控制单元；

(2)发动机冷启动：

(a)当电子控制单元ECU检测的进气出口端空气温度稳定到最佳进气温度且排气温度稳定后，喷油器在标定位置喷油，发动机开始正常工作，进气空气通过进气门进入气缸内与燃料混合后被活塞压燃，燃烧后废气经过排气门排出到发动机排气总管中，同时通过排气进口端温度传感器检测排气温度，并将排气温度数据传输给电子控制单元ECU；

(b)当排气温度稳定后，电子控制单元ECU读取稳定后的排气温度数据，ECU根据排气温度数据查表得到在此排气温度下需要开启或关闭排气节流阀和排气进口端控制阀的角度，以实现在所述的换热箱中通过排气加热进气维持进气温度至最佳进气温度；

(c)电子控制单元ECU向排气节流阀和排气进口端控制阀输出开度控制信号以控制排气节流阀和排气进口端控制阀调整至设定的开度，同时控制四组电加热丝停止工作，保持进气节流阀关闭、进气进口端控制阀打开，此时排气通过排气进口端进入换热箱内，经排气出口端流出至发动机排气总管中，高温排气通过各换热壁面将热量释放给进气空气，进气空气通过进气进口端进入换热箱内，经进气出口端流出至发动机进气总管中，进气空气通过各换热壁面吸收排气所释放的热量，温度升高；

(d)通过进气出口端温度传感器检测进气出口端空气温度，并将进气出口端空气温度数据反馈给电子控制单元ECU，通过排气进口端温度传感器检测排气温度，并将排气温度数据传输给电子控制单ECU，电子控制单元ECU则根据所述的最佳进气温度和进气出口端温度传感器实际测量的进气温度的差值及排气温度，通过查表得到排气节流阀和排气进口端控制阀的开度值，电子控制单元ECU然后通过改变排气节流阀和排气进口端控制阀的开度实时调节实际进气温度达到最佳进气温度，从而利用排气温度加热进气，实现了发动机冷启动；

(3)当发动机在冷启动工况平稳运行一段时间后，ECU控制进气节流阀打开、进气进口端控制阀关闭、排气节流阀打开、排气进口端控制阀关闭，四组电加热丝断开电源停止工作，发动机进行正常的进气、压缩、膨胀做功、排气四个冲程。

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