CN110761931A - 一种改善发动机冷启动性能的保温水箱 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种改善发动机冷启动性能的保温水箱，包括：保温材料层(1)、加热元件(2)、水箱(3)、继电器KM1(4)、供电装置(5)、控制器(6)、报警器(7)、温控开关ST1(8)、温控开关ST2(9)、继电器KM2(10)、水泵(11)、时间继电器(12)、发动机(13)、遥控发射器(14)。车辆停车时将高温冷却液储存在保温水箱，并通过温控模块和加热模块使保温水箱中的冷却液维持在发动机正常运行的温度范围(例如80‑95℃)。在车辆发动机启动前先开启水泵，将保温水箱中的高温冷却液快速供给发动机冷却系统(冷却水套和循环水路)，实现整车发动机快速热机，减少冷启动时间，改善整车启动过程的经济性和排放性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种发动机水箱保温装置，尤其涉及一种发动机水箱水温的智能控制装置。
背景技术
随着能源危机以及环境污染形势的日益严峻，节能减排已经成为汽车工业的重要发展需求。为了有效推进汽车排放和油耗改善，国5轻型车污染排放标准在2013年提出实施，国6轻型车排放标准和第四阶段轻型车油耗标准5L/100km预计在2020 年实施。严苛的排放油耗法规给汽车行业带来了巨大的压力和挑战，提高汽车燃油经济性、控制污染物生成是最有效的应对方法。研究发现在NEDC、WLTC和EPA75等多种道路测试循环中多数污染物排放集中于冷启动阶段，占整个道路循环排放量的 50％以上，因此要想有效降低汽车尾气排放，必须控制汽车冷启动阶段污染物生成和排放。在冷启动阶段，冷却液温度低(基本和环境温度相同，低于40℃)，尤其是在冬季或者严寒地区，冷却液温度可能低于-20℃，发动机过冷，导致润滑液变稠粘，润滑效果不好，机件的运动阻力增大；同时，冷启动导致发动机和混合气或者燃料雾化不好混合不均，燃烧恶化，产生大量CO、HC和颗粒排放物，同时，功率消耗增大，有效热效率急剧降低，燃油消耗量大大增加，使发动机的动力性下降，经济性和排放性能严重变坏。多台汽油机试验研究显示，冷却液温度降低到30℃的时候，气缸的摩擦损失量要比温度为80℃度时大4-5倍，当冷却液温度从90℃降到40℃时，油耗量增加约30％，功率下降约10％。
在汽车冷启动工况下，由于冷却液温度低，汽车排放性能和燃油经济性能严重恶化，有时会出现汽车抖动、熄火等现象。为了从根本上解决该问题，发动机启动前，冷却液温度要达到发动机工作的适宜温度80℃。本发明设计了一种水箱保温和加热装置，保证了在发动机启动前，冷却液温度迅速升温并维持在80℃，从而避免了发动机冷启动，很大程度上解决了汽车排放和节能问题。
发明内容
为避免汽车冷启动，保证汽车启动前冷却液温度达到80℃，本发明设计了一种改善发动机冷启动性能的保温水箱。
本发明的技术方案是提供一种改善发动机冷启动性能的保温水箱，包括保温材料层、加热元件、水箱、继电器KM1、供电装置、控制器、报警器、温控开关ST1、温控开关ST2、继电器KM2、水泵、时间继电器、遥控发射器，其特征在于：
所述保温材料层包裹于水箱外围；
所述加热元件用螺栓固定在水箱壁上，水平放置在水箱底部距离水箱高度的四分之一的位置；当供电装置电流接通时，加热元件对水箱中存储的冷却液进行加热；
所述水箱用于存储冷却液，设有进水口和出水口；进水口位于水箱顶部，进水口通过耐高温软管与发动机出水口接口连接；出水口位于水箱底部，出口口通过耐高温软管与水泵进水口接口连接；
所述供电装置通过导线连接加热元件、继电器KM1、控制器、报警器、继电器KM2、水泵、时间继电器形成回路，提供电能；
所述控制器内置无线接收模块，接收车主通过遥控发射器发射的信号，然后对信号进行解码与分析，输出指令控制继电器KM1和继电器KM2工作，从而接通或者切断加热回路、水泵回路、温度控制回路、控制执行器的起动和停止；
所述温控开关ST1和温控开关ST2固定在水箱底部，检测水箱冷却液温度；根据检测到的冷却液温度，接通或者断开工作电路，控制加热元件、报警器的运行；
所述水泵循环工作向发动机进水口供给水箱中的高温冷却液；
所述时间继电器在遥控发射器发射信号后300S断开控制电路，停止对发动机冷却液的加热。
进一步地，供电装置、继电器KM2开关、温控开关ST1、加热元件通过导线串联组成温度控制闭合回路；闭合回路根据冷却液温度是否达到加热设定温度限值以控制加热元件的工作状态。
进一步地，在温度控制闭合回路中，所述温控开关ST1为常闭状态，设置温度上下限分别为95℃和80℃，安装于水泵出水口附；继电器KM2开关处于常闭状态；温控开关ST1检测水泵出水口的冷却温度是否高于设置的限值温度；
当冷却液检测温度低于下限温度80℃时，温控开关ST1闭合，接通温度控制电路，供电装置给加热元件供电以对水箱内冷却液进行加热；
当冷却液检测温度高于上限温度95℃时，温控开关ST1断开，温度控制回路断开，加热元件停止对水箱内的冷却液进行加热。
进一步地，供电装置、继电器KM2开关、温控开关ST、报警器和继电器开关 KM2线圈通过导线串联组成报警闭合回路；闭合回路根据冷却液温度是否达到发动机运行的最高温度限值来控制加热元件的工作状态；
所述温控开关ST2为常开状态，设置温度上下限分别为95℃和80℃，安装于水箱底部，但不和底部壁面接触；
温控开关ST2检测水泵出水口附近的冷却液温度是否高于设置的限值温度；
当冷却液检测温度高于上限温度95℃时，温控开关ST闭合，接通报警闭合回路，报警器发出警报声；同时继电器KM2线圈上电导通，控制串接在控制器回路上的常闭继电器KM2开关断开，温度控制回路断开，加热元件停止加热；
当冷却液检测温度低于下限温度80℃时，温控开关ST断开，报警闭合回路断开，继电器KM2线圈失电，继电器KM2开关闭合接通温度控制电路，加热元件对冷却液加热。
进一步地，供电装置、继电器KM2开关、继电器KM1开关、水泵、时间继电器KT1开关、时间继电器KT1开关通过导线组成水泵工作控制回路；制工作回路根据控制器控制信号对水泵工作状态进行控制；其中：
时间继电器KT1开关处于常闭状态；车主通过遥控发射器发送信号，控制器接收信号并对信号进行解码与分析，输出指令控制继电器KM1线圈上电，使继电器KM1 开关闭合，接通水泵工作电路，水泵开始工作，水泵流出的冷却液经过电热丝被加热后输送至发动机冷却回路中；同时，时间继电器KT1线圈上电，经过300S后，时间继电器KT1开关断开，水泵工作控制回路断开，水泵停止工作，停止向发动机供给冷却液。
进一步地，所述保温材料层采用聚氨酯发泡、聚苯乙烯、PEF等常用保温材料来进行保温。
采用本发明的技术方案所带来的技术效果是：
(1)根据试验研究和理论分析，随着冷却液温度升高到适应温度，整车性能也急剧改善到最佳，尤其排放性能的改善最为明显。因此，改善冷启动性能最好的办法就是在车辆启动前，提高冷却液温度到车辆运行时所需的适应温度。本发明设计了一种改善发动机冷启动性能的保温水箱，通过温控模块和加热模块使保温水箱中的冷却液维持在发动机正常运行的温度范围。水箱有无线控制功能，车主在车辆10米范围内，能够遥控水箱工作，同时水泵启动将高温冷却液循环供给给发动机，在车主启动车辆前完成热机，无需额外的等候时间；
(2)本发明能够智能控制保温温度，当冷却液温度高于上限温度时断开加热系统，避免冷却液温度过高和产生不必要的能量损失，保证发动机安全运行同时节约成本；
(3)本发明避免了恶劣的冷启动工况，显著改善了车辆冷启动工况下的动力性能、经济性能和排放性能；
(4)本发明主要用来解决车辆冷启动问题，同时也可以解决严寒地区由于环境温度过低车辆点火困难的问题。
附图说明
现在将描述如本发明的优选但非限制性的实施例，本发明的这些和其他特征、方面和优点在参考附图阅读如下详细描述时将变得显而易见，其中：
图1一种保温水箱的结构布置原理图；
图2一种保温水箱智能控制电路原理图；
图3冷热启动工况下整车经济性能对比图；
图4冷热启动工况下整车CO排放对比图；
图5冷热启动工况下整车HC排放对比图；
其中：1-保温材料层，2-加热元件，3-水箱，4-继电器KM1，5-供电装置，6-控制器，7-报警器，8-温控开关ST1，9-温控开关ST2，10-继电器KM2，11-水泵，12- 时间继电器，13-发动机，14-遥控发射器；4-1继电器KM1线圈、4-2继电器KM1 开关，5-1电源、5-2电源开关按钮、5-3熔断器，10-1继电器KM2线圈、10-2继电器KM2开关，12-1时间继电器KT1线圈，12-2时间继电器KT1开关。
具体实施方式
以下结合附图1-5对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，该实施例提供了一种改善发动机冷启动性能的保温水箱，包括：保温材料层1、加热元件2、水箱3、继电器KM14、供电装置5、控制器6、报警器7、温控开关ST18、温控开关ST29、继电器KM210、水泵11、时间继电器12、发动机13、遥控发射器14。
保温材料层1采用聚氨酯发泡、聚苯乙烯、PEF等常用保温材料来进行保温。保温材料层1包裹于水箱3外围，减少水箱与环境产生的散热损失。
加热元件2用螺栓固定在水箱壁上，水平放置在水箱底部约为水箱高度的四分之一的位置。当供电装置5电流接通时，加热元件2对水箱3中存储的冷却液进行加热。
水箱3用于存储冷却液，设有进出水口。进水口位于水箱3顶部，顶部有加工进水口接口，通过耐高温软管与发动机出水口接口连接，连接处由卡箍紧固。出水口位于水箱3底部，底部侧部有加工出水口接口，通过耐高温软管与水泵11进水口接口连接，连接处用卡箍紧固。
供电装置5通过导线连接加热元件2、继电器KM14、控制器6、报警器7、继电器KM210、水泵11、时间继电器12形成回路，提供电能。为了应对可能出现的过载和短路现象，供电装置5内部有过载和短路保护机制，配备有紧急断电功能按钮。
控制器6内置无线接收模块，接收车主通过遥控发射器14发射的信号，然后对信号进行解码与分析，输出指令控制继电器KM14和继电器KM210工作，从而接通或者切断加热回路、水泵回路、温度控制回路、控制执行器的起动和停止。
温控开关ST18和温控开关ST29固定在水箱底部，检测水箱冷却液温度。根据检测到的冷却液温度，接通或者断开工作电路，控制加热元件2、报警器7的运行。
水泵11循环工作向发动机进水口供给水箱3中的加热后的冷却液。冷机状态下，循环供给的高温冷却液将水套里面的低温冷却液排出，同时加热润滑液，帮助整车提前进入热机状态。
时间继电器12在遥控发射器14发射信号后300S断开控制电路，停止对发动机冷却液的加热。
如图2所示为一种保温水箱智能控制电路原理图。其中，供电装置5、继电器KM2 开关10-2、温控开关ST18、加热元件2通过导线串联组成温度控制闭合回路。闭合回路根据冷却液温度是否达到加热设定温度限值以控制加热元件2的工作状态。温控开关ST18为常闭状态，设置温度上下限分别为95℃和80℃，安装于水泵11出水口附近。
继电器KM2开关10-2处于常闭状态。温控开关ST18检测水泵11出水口附近的冷却温度是否高于设置的限值温度。当冷却液检测温度低于下限温度80℃时，温控开关ST18闭合，接通温度控制电路，供电装置5给加热元件2供电以对水箱3内冷却液进行加热。当冷却液检测温度高于上限温度95℃时，温控开关ST18断开，温度控制回路断开，加热元件2停止对水箱3内的冷却液进行加热。
供电装置5、继电器KM2开关10-2、温控开关ST9、报警器7和继电器开关KM2 线圈10-1通过导线串联组成报警闭合回路。闭合回路根据冷却液温度是否达到发动机运行的最高温度限值来控制加热元件2的工作状态。温控开关ST29为常开状态，设置温度上下限分别为95℃和80℃，安装于水箱3底部，但不和底部壁面接触，距离约为4厘米。
温控开关ST29检测冷水泵11出水口附近的冷却温度是否高于设置的限值温度。当冷却液检测温度高于上限温度95℃时，温控开关ST2闭合，接通报警闭合回路，报警器7发出警报声，提醒车主冷却液温度过高，加热系统出现问题。同时继电器 KM2线圈10-1上电导通，控制串接在控制器6回路上的常闭继电器KM2开关10-2 断开，温度控制回路断开，加热元件2停止加热。当冷却液检测温度低于下限温度 80℃时，温控开关ST2断开，报警闭合回路断开，报警器7停止工作，继电器KM2 线圈10-1失电，继电器KM2开关10-2闭合接通温度控制电路，加热元件2对冷却液加热。
供电装置5、继电器KM2开关10-2、继电器KM1开关4-2、水泵11、时间继电器KT1开关12-2、时间继电器KT1开关12-1通过导线组成水泵工作控制回路。控制工作回路根据控制器6控制信号对水泵11工作状态进行控制。
时间继电器KT1开关12-2处于常闭状态。车主通过遥控发射器14发送信号，控制器6接收信号并对信号进行解码与分析，输出指令控制继电器KM1线圈4-1上电，使继电器KM1开关4-2闭合，接通水泵工作电路，水泵开始工作，水泵流出的冷却液经过电热丝2被加热后输送至发动机13冷却回路中。同时，时间继电器KT1 线圈12-1上电，经过300S后，时间继电器KT1开关12-2断开，水泵工作控制回路断开，水泵停止工作，停止向发动机13供给冷却液。
本发明的另外一个实施例还了提供了一种改善发动机冷启动性能的保温水箱的试验方法，其具体步骤如下：
步骤1、将保温水箱安装在车前盖，启动供电装置，控制器接通电源；
该实施例中，基于底盘测功机试验，选取了一辆典型的自动换挡汽油机车作为样机，对其进行了冷、热启动时整车性能测试。实验设备主要包括底盘测功机、环境舱、扭矩传感器、电荷放大器、排放分析仪、燃烧分析仪和λ分析仪等。底盘测功机是一种室内台架试验设备，用来测试整车动力性能、经济性能以及排放性能等。
样机的基础参数如下表1所示。
表1：样机基本参数
测试设备的技术参数如表2所示。
表2：整车试验主要试验设备及技术参数
步骤2、按照试验规范，整车在环境仓内静置24小时后开始进行冷启动试验，按下启动电门接通起动机，起动机拖动发动机自行运转。自动挡汽车，变速器位于“停车”挡，运转20S，记录下大量的瞬态数据，如缸内压力、过量空气系数、排放数据及空气流量数据等，从而计算出发动的动力性参数如扭矩、功率等，经济性参数如燃油消耗量、燃油消耗率等，排放参数如HC、CO等；每次冷启动前须待冷却液、润滑液达到环境温度，方可进行下一次启动，连续进行3次冷启动试验并记录试验数据。
步骤3、冷启动结束后，利用保温水箱进行热启动。通过遥控发射器发射无线信号，控制器接收和处理该信号，输出高电平给继电器线圈，继电器开关动作闭合，加热电路和水泵电路导通，水泵将水箱中高温冷却液迅速供给至发动机冷却系统中，同时加热元件对水箱内冷却液加热，保持在正常工作温度。然后按下电门接通起动机，起动机拖动发动机自行运转。自动挡汽车，变速器位于“停车”挡，运转20S,记录下大量的瞬态数据，如缸内压力、过量空气系数、排放数据及空气流量数据等，从而计算出发动的动力性参数如扭矩、功率等，经济性参数如燃油消耗量、燃油消耗率等，排放参数如HC、CO等；每次利用水箱热启动前须待冷却液、润滑液达到环境温度，方可进行下一次启动，连续进行3次相同的热启动试验并记录试验数据。
步骤4、将未利用加热水箱正常冷启动的试验数据和利用水箱加热然后启动的实验数据进行处理分析比较，经济性能、排放性能对比如图3-5所示，可以看出采用本发明的保温水箱，有效改善了发动机启动时刻的燃油消耗和排放。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。
Claims (6)
1.一种改善发动机冷启动性能的保温水箱，包括保温材料层(1)、加热元件(2)、水箱(3)、继电器KM1(4)、供电装置(5)、控制器(6)、报警器(7)、温控开关ST1(8)、温控开关ST2(9)、继电器KM2(10)、水泵(11)、时间继电器(12)、遥控发射器(14)，其特征在于：其特征在于：
所述保温材料层(1)包裹于水箱(3)外围；
所述加热元件(2)用螺栓固定在水箱壁上，水平放置在水箱底部距离水箱高度的四分之一的位置；当供电装置(5)电流接通时，加热元件(2)对水箱(3)中存储的冷却液进行加热；
所述水箱(3)用于存储冷却液，设有进水口和出水口；进水口位于水箱(3)顶部，进水口通过耐高温软管与发动机出水口接口连接；出水口位于水箱(3)底部，出水口通过耐高温软管与水泵(11)进水口接口连接；
所述供电装置(5)通过导线连接加热元件(2)、继电器KM1(4)、控制器(6)、报警器(7)、继电器KM2(10)、水泵(11)、时间继电器(12)形成回路，提供电能；
所述控制器(6)内置无线接收模块，接收车主通过遥控发射器(14)发射的信号，然后对信号进行解码与分析，输出指令控制继电器KM1(4)和继电器KM2(10)工作，从而接通或者切断加热回路、水泵回路、温度控制回路、控制执行器的起动和停止；
所述温控开关ST1(8)和温控开关ST2(9)固定在水箱底部，检测水箱冷却液温度；根据检测到的冷却液温度，接通或者断开工作电路，控制加热元件(2)、报警器(7)的运行；
所述水泵(11)循环工作向发动机进水口供给水箱(3)中的高温冷却液；
所述时间继电器(12)在遥控发射器(14)发射信号后300S断开控制电路，停止对发动机冷却液的加热。
2.根据权利要求2所述的改善发动机冷启动性能的保温水箱，其特征在于：
供电装置(5)、继电器KM2开关(10-2)、温控开关ST1(8)、加热元件(2)通过导线串联组成温度控制闭合回路；闭合回路根据冷却液温度是否达到加热设定温度限值以控制加热元件(2)的工作状态。
3.根据权利要求2所述的改善发动机冷启动性能的保温水箱，其特征在于：在温度控制闭合回路中，所述温控开关ST1(8)为常闭状态，设置温度上下限分别为95℃和80℃，安装于水泵(11)出水口附；继电器KM2开关(10-2)处于常闭状态；温控开关ST1(8)检测水泵(11)出水口的冷却温度是否高于设置的限值温度；
当冷却液检测温度低于下限温度80℃时，温控开关ST1(8)闭合，接通温度控制电路，供电装置(5)给加热元件(2)供电以对水箱(3)内冷却液进行加热；
当冷却液检测温度高于上限温度95℃时，温控开关ST1(8)断开，温度控制回路断开，加热元件(2)停止对水箱(3)内的冷却液进行加热。
4.根据权利要求1所述的改善发动机冷启动性能的保温水箱，其特征在于：
供电装置(5)、继电器KM2开关(10-2)、温控开关ST(9)、报警器(7)和继电器开关KM2线圈(10-1)通过导线串联组成报警闭合回路；闭合回路根据冷却液温度是否达到发动机运行的最高温度限值来控制加热元件(2)的工作状态；
所述温控开关ST2(9)为常开状态，设置温度上下限分别为95℃和80℃，安装于水箱(3)底部，但不和底部壁面接触；
温控开关ST2(9)检测水泵(11)出水口附近的冷却液温度是否高于设置的限值温度；
当冷却液检测温度高于上限温度95℃时，温控开关ST(2)闭合，接通报警闭合回路，报警器(7)发出警报声；同时继电器KM2线圈(10-1)上电导通，控制串接在控制器(6)回路上的常闭继电器KM2开关(10-2)断开，温度控制回路断开，加热元件(2)停止加热；
当冷却液检测温度低于下限温度80℃时，温控开关ST(2)断开，报警闭合回路断开，继电器KM2线圈(10-1)失电，继电器KM2开关(10-2)闭合接通温度控制电路，加热元件(2)对冷却液加热。
5.根据权利要求1所述的改善发动机冷启动性能的保温水箱，其特征在于：供电装置(5)、继电器KM2开关(10-2)、继电器KM1开关(4-2)、水泵(11)、时间继电器KT1开关(12-2)、时间继电器KT1开关(12-1)通过导线组成水泵工作控制回路；制工作回路根据控制器(6)控制信号对水泵(11)工作状态进行控制；其中：
时间继电器KT1开关(12-2)处于常闭状态；车主通过遥控发射器(14)发送信号，控制器(6)接收信号并对信号进行解码与分析，输出指令控制继电器KM1线圈(4-1)上电，使继电器KM1开关(4-2)闭合，接通水泵工作电路，水泵开始工作，水泵流出的冷却液经过电热丝(2)被加热后输送至发动机(13)冷却回路中；同时，时间继电器KT1线圈(12-1)上电，经过300S后，时间继电器KT1开关(12-2)断开，水泵工作控制回路断开，水泵停止工作，停止向发动机(13)供给冷却液。
6.根据权利要求1所述的改善发动机冷启动性能的保温水箱，其特征在于：所述保温材料层(1)采用聚氨酯发泡、聚苯乙烯、PEF材料来进行保温。
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