CN112682228A - 一种旁路进气加热装置 - Google Patents

Abstract

本说明书公开一种旁路进气加热装置，包括旁路管道、鼓风机、燃油蒸汽发生装置、燃油催化氧化器、控制器，其中：所述旁路管道分为管道前段和管道后段；所述管道前段设置有第一加热装置和第一温度传感器，所述管道后段包裹有保温材料；所述鼓风机设置于旁路管道与进气管道的接口处；所述燃油蒸汽发生装置，包括内置油泵的油箱、油轨、喷油器、喷油器适配器以及金属网，其中所述喷油器通过所述喷油器适配器安装在旁路管道的管道前段的中部位置，在所述喷油器适配器与管道前段的接口处设置有金属网，所述金属网设置有第二加热装置和第二温度传感器；所述燃油催化氧化器设置有第三加热装置和第三温度传感器，所述燃油催化氧化器内部设置有燃油催化剂。

Description

一种旁路进气加热装置

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，具体而言，涉及一种旁路进气加热装置。

背景技术

目前柴油机在低温环境中，由于进气温度较低，发动机启动困难，柴油机在低温下的冷启动困难。在低温下，进气温度及柴油机缸套同环境温度，活塞压缩到上止点散热严重，压缩终点温度较低，柴油破碎雾化性差，难以压燃。现有的柴油机进气预热装置，主要通过电加热棒的形式对空气进行加热，由于空气的导热性较差，车载电池的最大功率有限，加热通常需要等待较长的时间。对于排量大的柴油机而言，进气加热往往需要更多的热量，全部依靠电池和电加热棒的形式，会导致电池体积过大。

发明内容

本说明书提供一种旁路进气加热装置，用以克服现有技术中存在的至少一个技术问题。

根据本说明书实施例，提供一种旁路进气加热装置，包括旁路管道、鼓风机、燃油蒸汽发生装置、燃油催化氧化器、控制器，其中：所述旁路管道的入口设置于进气管道的进气口，所述旁路管道的出口与进气管道连通，所述旁路管道分为管道前段和管道后段，所述管道前段连接鼓风机至燃油催化氧化器的入口，所述管道后段连接燃油催化氧化器的出口至旁路管道的出口；所述管道前段的外部设置有第一加热装置，所述管道前段的内部设置有第一温度传感器，所述管道后段的管道外部包裹有保温材料；所述鼓风机设置于旁路管道与进气管道的管道接口处；所述燃油蒸汽发生装置，包括内置油泵的油箱、油轨、喷油器、喷油器适配器以及金属网，其中所述油箱通过所述油轨与所述喷油器连通，所述喷油器通过所述喷油器适配器安装在旁路管道的管道前段的中部位置，在所述喷油器适配器与所述管道前段的接口处设置有金属网，所述金属网设置有第二加热装置，在所述金属网周围设置有第二温度传感器；所述燃油催化氧化器的外壁内设置有第三加热装置，并在燃油催化氧化器外壁内侧设置有第三温度传感器，所述燃油催化氧化器内部设置有燃油催化剂；所述控制器与所述鼓风机、所述第一加热装置、第一温度传感器、所述喷油器、第二加热装置、第二温度传感器、第三加热装置、第三温度传感器信号连接；所述控制器通过控制所述鼓风机的功率调节旁路管道的进气流量和进气流速；根据所述第一温度传感器的温度信号，实时反馈控制所述第一加热装置的功率，以使所述管道前段的温度维持在所述燃油催化剂的起效温度；根据所述鼓风机的功率得到进气流量，根据得到的进气流量、预设的气流温升以及催化反应释放的热量，计算得到单位时间内燃油的喷射量，通过改变所述喷油器的喷射脉宽调制控制燃油的喷射量；根据所述第二温度传感器的温度信号，实时反馈控制所述第二加热装置的功率，以使所述金属网的温度维持在预设温度，所述预设温度高于所述燃油沸腾温度的最低值，低于所述燃油的起燃温度；根据所述第三温度传感器的温度信号，实时反馈控制所述第三加热装置的功率，以使所述燃油催化氧化器的温度维持在所述燃油催化剂的起效温度。

可选地，所述旁路管道的管道截面积小于进气管道的管道截面积，且所述旁路管道的管道截面积与进气管道的管道截面积满足预设比例，所述预设比例根据进气温度、预设的进气预热后的温度、燃油催化氧化反应的放热量以及试验测定的热量损失率计算得到。

可选地，所述金属网采用多层结构。

可选地，所述鼓风机为微型轴流式风扇。

可选地，所述第一加热装置为加热带，所述加热带包裹在所述管道前段的管道周围，所述第一温度传感器为热电偶，所述第一温度传感器设置于所述管道前段的管道内部。

可选地，所述第二加热装置为加热管，所述加热管设置于所述金属网上，所述第二温度传感器为热电偶，所述第二温度传感器设置于金属网周围。

可选地，所述第三加热装置为加热丝，所述加热丝内镶于所述燃油催化氧化器的外壁，所述第三温度传感器为热电偶，所述第三温度传感器设置在所述燃油催化氧化器外壁内侧。

可选地，所述燃油催化氧化器内部设置有载体部件，在所述载体部件的表面覆盖有燃油催化剂。

可选地，所述载体部件为多孔陶瓷材料。

可选地，所述燃油催化剂至少为铂、铑、钯中的一种。

本说明书实施例的有益效果如下：

本说明书实施例提供一种旁路进气装置，利用鼓风机将一部分进气送入旁路管道中，对旁路进气管道中的旁路进气进行加热升温至燃油催化剂的起效温度，通过喷油器将燃油喷射至高温金属网产生燃油蒸汽，将燃油蒸汽通入升温后的旁路进气，使混合气体一起进入燃油催化氧化器，在燃油催化氧化器中燃油蒸汽氧化放热，进一步升高了旁路进气的温度，随后高温的旁路进气与进气管道中的大流量来流混合，使进气管道中的来流升温，达到发动机启动所需的进气温度。本装置中，用燃油蒸汽的催化放热代替了传统的电加热棒的加热方式，打破了蓄电池功率对进气加热的限制，催化反应放热不仅使得进气温升更高而且升温迅速。进一步，旁路管道的设置实现了直接对旁路管道中小流量进气的加热，间接使大流量进气升温，其中，由于旁路进气流量较小，对旁路进气的加热效果明显、耗能少、升温迅速，从而保证了本装置中作为进气加热能量主要来源的燃油蒸汽催化反应的稳定发生。旁路进气的流量和流速可通过鼓风机进行调节，并且根据旁路进气的流量对燃油蒸汽的通入量进行控制，从而实现了快速可靠地加热进气，有利于发动机在低温下快速启动，解决了现有技术中发动机在冷启动中面临的困难，具有进步性。

本说明书实施例的创新点包括：

1、本实施例中，所述旁路进气装置，利用鼓风机将一部分进气送入旁路管道中，对旁路进气管道中的旁路进气进行加热升温至燃油催化剂的起效温度，通过喷油器将燃油喷射至高温金属网产生燃油蒸汽，将燃油蒸汽通入升温后的旁路进气，使混合气体一起进入燃油催化氧化器，在燃油催化氧化器中燃油蒸汽氧化放热，进一步升高了旁路进气的温度，随后高温的旁路进气与进气管道中的大流量来流混合，使进气管道中的来流升温，达到发动机启动所需的进气温度。本装置中，用燃油蒸汽的催化放热代替了传统的电加热棒的加热方式，打破了蓄电池功率对进气加热的限制，催化反应放热不仅使得进气温升更高而且升温迅速。进一步，旁路管道的设置实现了直接对旁路管道中小流量进气的加热，间接使大流量进气升温，其中，由于旁路进气流量较小，对旁路进气的加热效果明显、耗能少、升温迅速，从而保证了本装置中作为进气加热能量主要来源的燃油蒸汽催化反应的稳定发生。旁路进气的流量和流速可通过鼓风机进行调节，并且根据旁路进气的流量对燃油蒸汽的通入量进行控制，从而实现了快速可靠地加热进气，有利于发动机在低温下快速启动，是本说明书实施例的创新点之一。

2、本实施例中，通过将燃油蒸汽通入旁路管道的旁路进气中，在燃油催化氧化器中利用燃油蒸汽氧化释放的热量对旁路进气进行加热，使得旁路进气的温度升高，以使高温的旁路进气在与进气管道中的大流量进气混合后，快速提高进气温度。燃油蒸汽的氧化反应迅速、放热多，相较于蓄电池以及电加热棒，本装置涉及的催化反应可提供更多热量；进一步地，相较于对整个进气进行催化加热的方式，本装置中先将旁路管道中的小流量进气升温，有利于燃油蒸汽在相应催化剂作用下氧化放热，有助于反应进行得更充分从而获得更多的热量，利于进气快速升温，从而完成发动机的冷启动，是本说明书实施例的创新点之一。

3、本实施例中，旁路管道的设置实现了对小部分进气的加热，继而通过旁路管道中旁路进气与进气管道中大流量进气的混合使总进气升温，便于在旁路管道中对旁路进气进行提前升温，从而有助于燃油蒸汽的催化氧化，为催化反应的进行提供更有利的反应条件；另外，旁路管道的设置也使得进气加热的加热位置从进气道转移至旁路管道，更便于对进气的流量和流速以及加热温升进行控制，是本说明书实施例的创新点之一。

4、本实施例中，旁路管道的管径截面积与进气管道的管径截面积满足预设的比例，该比例根据进气温度、预设的进气预热后的温度、燃油催化氧化反应的放热量以及试验测定的热量损失率计算得到；另外，通过鼓风机调节旁路进气的流量和流速，根据旁路进气的流量控制燃油蒸汽的通入量，上述几个因素的设计和考虑都有利于实现高温旁路进气与低温大流量进气达到较为合理的配比，从而在有限资源的条件下，既保证了对进气的加热效果，又使得装置耗能较低，实现快速可靠地加热进气，有利于发动机的低温启动，是本说明书实施例的创新点之一。

5、本实施例中，燃油由喷油器喷出，经过高温金属网产生燃油蒸汽，蒸汽进入旁路进气管道中，燃油蒸汽与旁路进气混合进入燃油催化氧化器中氧化放热，从而使旁路进气升温。所述燃油蒸汽产生的方式快速可靠，并且可控，根据旁路进气的流量，通过脉宽调制控制燃油的喷射量，以使得通入的燃油蒸汽氧化放热能够满足加热旁路进气所需要的热量，是本说明书实施例的创新点之一。

6、本实施例中，旁路管道中未设置加热段的管道均包裹有保温材料，降低了旁路管道高温进气的热损失，增加装置的稳定性、可靠性、可行性，确保整个装置的进气加热效率，完善旁路管道进气加热的设计，确保发动机在低温下快速启动，是本说明书实施例的创新点之一。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本说明书实施例提供的一种旁路进气加热装置的结构示意图。

图中，110-旁路管道(包括112-旁路管道前段；114-旁路管道后段)；120-鼓风机；130-燃油蒸汽发生装置(包括131-油箱；133-油轨；135喷油器；137-喷油器适配器；139-金属网)；140-燃油催化氧化器；150-控制器。

具体实施方式

下面将结合本说明书实施例中的附图，对本说明书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，本领域普通技术人员在没有付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。

需要说明的是，本说明书实施例及附图中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本说明书实施例公开了一种旁路进气加热装置，以下进行详细说明。

图1为本说明书一个实施例提供的一种旁路进气加热装置。如图1所示，旁路进气加热装置包括旁路管道110、鼓风机120、燃油蒸汽发生装置130、燃油催化氧化器140、控制器150，其中：所述旁路管道110的入口设置于进气管道的进气口，所述旁路管道110的出口与进气管道连通，所述旁路管道110分为管道前段112和管道后段114，所述管道前段112连接鼓风机120至燃油催化氧化器140的入口，所述管道后段114连接燃油催化氧化器140的出口至旁路管道110的出口；所述管道前段112的外部设置有第一加热装置，所述管道前段112的内部设置有第一温度传感器，所述管道后段114的管道外部包裹有保温材料；所述鼓风机120设置于旁路管道110与进气管道的管道接口处；所述燃油蒸汽发生装置130，包括内置油泵的油箱131、油轨133、喷油器135、喷油器适配器137以及金属网139，其中所述油箱131通过所述油轨133与所述喷油器135连通，所述喷油器135通过所述喷油器适配器137安装在旁路管道的管道前段112的中部位置，在所述喷油器适配器137与所述管道前段112的接口处设置有金属网139，所述金属网139设置有第二加热装置，在所述金属网139周围设置有第二温度传感器；所述燃油催化氧化器140的外壁内设置有第三加热装置，并在燃油催化氧化器140外壁内侧设置有第三温度传感器，所述燃油催化氧化器140内部设置有燃油催化剂；所述控制器150与所述鼓风机120、所述第一加热装置、第一温度传感器、所述喷油器135、第二加热装置、第二温度传感器、第三加热装置、第三温度传感器信号连接。

所述控制器150通过控制所述鼓风机120的功率调节旁路管道110的进气流量和进气流速，有利于保持装置稳定工作，灵活调控旁路管道110的进气流量，能够适应不同情况下的进气加热需求。

所述控制器根据所述第一温度传感器的温度信号，实时反馈控制所述第一加热装置的功率，以使所述管道前段112的温度维持在所述燃油催化剂的起效温度。通过所述第一加热装置对旁路管道110中的进气进行加热，从而有助于燃油蒸汽的催化氧化，为催化反应的进行提供更有利的条件。

所述控制器根据所述鼓风机120的功率得到进气流量，根据得到的进气流量、预设的气流温升以及催化反应释放的热量，计算得到单位时间内燃油的喷射量，通过脉宽调制控制所述喷油器135的燃油喷射量，以使得通入的燃油蒸汽催化放热能够满足加热旁路管道中旁路进气所需要的热量。

所述控制器根据所述第二温度传感器的温度信号，实时反馈控制所述第二加热装置的功率，以使所述金属网139的温度维持在预设温度，所述预设温度高于所述燃油沸腾温度的最低值，低于所述燃油的起燃温度。预设温度下的金属网139使得喷油器135喷出的燃油汽化为燃油蒸汽，便于在燃油催化氧化器140中进行反应放热，从而加热旁路进气。

所述控制器根据所述第三温度传感器的温度信号，实时反馈控制所述第三加热装置的功率，以使所述燃油催化氧化器140的温度维持在所述燃油催化剂的起效温度，从而使得燃油蒸汽在进入燃油催化氧化器140后，在催化剂的作用下，迅速氧化放热，实现对旁路进气的加热。

在一个具体实施例中，所述旁路管道110的管道截面积小于进气管道的管道截面积，且所述旁路管道110的管道截面积与进气管道的管道截面积满足预设比例，所述预设比例根据进气温度、预设的进气预热后的温度、燃油催化氧化反应的放热量以及试验测定的热量损失率计算得到。

在一个具体实现方式中，旁路管道和进气管道的比例，由所需要的温升和燃油催化氧化器140出口处所能达到的最高温度决定。例如进气温度为-30℃，所需要的进气预热后的温度为10℃，柴油催化氧化器出口处气流温度可以达到500℃。根据质量守恒和能量守恒以及经过试验后确定装置散热损失系数为0.7，得到以下计算式：

其中，T_混合为所需要的进气预热后的温度，该例中为10℃；T_进气为进气的温度进气，该例中为-30℃；T_加热为柴油催化氧化器出口处气流温度，该例中为500℃；Q_大流量为进气管道的流量；Q_旁路为旁路管道的流量；Q_总为进气管道与旁路管道的流量之和；ρ_热损系数为气体从柴油催化氧化器出口流动到混合处温度降低的程度。

代入相关数据，计算得出Q_旁路与Q_大流量之比约为1/9，因此将进气管道与旁路管道的管径比例设置为1：3。

在一个具体实施例中，所述金属网139采用多层结构。多层高温金属网有利于燃油喷雾蒸发气化，生成燃油蒸汽。

在一个具体实施方式中，由PFI喷油器喷射柴油，喷射压力为4-5bar低压喷射，金属网平均温度为180℃左右，当柴油喷射在高温金属网上，迅速蒸发气化。

在一个具体实施例中，所述鼓风机120为微型轴流式风扇。轴流式风扇具有结构简单、风量大等优点。

在一个具体实施例中，所述第一加热装置为加热带，所述加热带包裹在所述管道前段112的管道周围，所述第一温度传感器为热电偶，所述第一温度传感器设置于所述管道前段112的管道内部。控制器将第一温度传感器检测到的旁路管道前段112的温度与预设的管道温度进行比较，调节所述加热带的加热功率，使得所述管道前段112的温度维持在预设的管道温度，预设的管道温度为燃油催化剂的起效温度。

在一个具体实施例中，所述第二加热装置为加热管，所述加热管设置于所述金属网139上，所述第二温度传感器为热电偶，所述第二温度传感器设置于金属网139周围。控制器将第二温度传感器检测到的金属网139的温度与预设温度进行比较，调节所述加热管的加热功率，使得所述金属网139的温度维持在预设温度，预设温度高于所述燃油沸腾温度的最低值，低于所述燃油的起燃温度。

在一个具体实施例中，所述第三加热装置为加热丝，所述加热丝内镶于所述燃油催化氧化器140的外壁，所述第三温度传感器为热电偶，所述第二温度传感器设置在所述燃油催化氧化器140外壁内侧。控制器将第三温度传感器检测到的燃油催化氧化器140的温度与预设的催化器温度进行比较，调节所述加热丝的加热功率，使得所述燃油催化氧化器140的温度维持在预设的催化器温度，预设的催化器温度为燃油催化剂的起效温度。

在一个具体实施例中，所述燃油催化氧化器140内部设置有载体部件，在所述载体部件的表面覆盖有燃油催化剂。

在一个具体实施例中，所述载体部件为多孔陶瓷材料。多孔陶瓷材料具有耐高温、良好的生物惰性、可控的孔结构、使用寿命长、产品再生性能好等优点，利于催化氧化器中的反应稳定进行。

在一个具体实施例中，所述燃油催化剂至少为铂、铑、钯中的一种，具有抗氧化、催化效果好等优点。

综上所述，本说明书实施例提供一种旁路进气加热装置，对旁路进气管道中的旁路进气进行加热升温至燃油催化剂的起效温度，通过喷油器将燃油喷雾喷射至高温金属网产生燃油蒸汽，将燃油蒸汽通入升温后的旁路进气，使混合气体一起进入燃油催化氧化器，在燃油催化氧化器中燃油蒸汽氧化放热，进一步升高了旁路进气的温度，随后高温的旁路进气与进气管道中的大流量来流混合，使进气管道中的来流升温，达到发动机启动所需的进气温度。采用燃油蒸汽催化放热加热旁路进气，以高温旁路进气与低温大流量进气混合的方式使得发动机进气温度迅速上升，打破了电池功率对进气加热的限制，实现了进气的快速升温，有利于发动机在低温环境下快速启动。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种旁路进气加热装置，其特征在于，包括旁路管道、鼓风机、燃油蒸汽发生装置、燃油催化氧化器、控制器，其中：

所述旁路管道的入口设置于进气管道的进气口，所述旁路管道的出口与进气管道连通，所述旁路管道分为管道前段和管道后段，所述管道前段连接鼓风机至燃油催化氧化器的入口，所述管道后段连接燃油催化氧化器的出口至旁路管道的出口；

所述管道前段的外部设置有第一加热装置，所述管道前段的内部设置有第一温度传感器，所述管道后段的管道外部包裹有保温材料；

所述鼓风机设置于旁路管道与进气管道的管道接口处；

所述燃油蒸汽发生装置，包括内置油泵的油箱、油轨、喷油器、喷油器适配器以及金属网，其中所述油箱通过所述油轨与所述喷油器连通，所述喷油器通过所述喷油器适配器安装在旁路管道的管道前段的中部位置，在所述喷油器适配器与所述管道前段的接口处设置有金属网，所述金属网设置有第二加热装置，在所述金属网周围设置有第二温度传感器；

所述燃油催化氧化器的外壁内设置有第三加热装置，并在燃油催化氧化器外壁内侧设置有第三温度传感器，所述燃油催化氧化器内部设置有燃油催化剂；

所述控制器与所述鼓风机、所述第一加热装置、第一温度传感器、所述喷油器、第二加热装置、第二温度传感器、第三加热装置、第三温度传感器信号连接；

所述控制器通过控制所述鼓风机的功率调节旁路管道的进气流量和进气流速；根据所述第一温度传感器的温度信号，实时反馈控制所述第一加热装置的功率，以使所述管道前段的温度维持在所述燃油催化剂的起效温度；根据所述鼓风机的功率得到进气流量，根据得到的进气流量、预设的气流温升以及催化反应释放的热量，计算得到单位时间内燃油的喷射量，通过改变所述喷油器的喷射脉宽调制控制燃油的喷射量；根据所述第二温度传感器的温度信号，实时反馈控制所述第二加热装置的功率，以使所述金属网的温度维持在预设温度，所述预设温度高于所述燃油沸腾温度的最低值，低于所述燃油的起燃温度；根据所述第三温度传感器的温度信号，实时反馈控制所述第三加热装置的功率，以使所述燃油催化氧化器的温度维持在所述燃油催化剂的起效温度。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述旁路管道的管道截面积小于进气管道的管道截面积，且所述旁路管道的管道截面积与进气管道的管道截面积满足预设比例，所述预设比例根据进气温度、预设的进气预热后的温度、燃油催化氧化反应的放热量以及试验测定的热量损失率计算得到。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述金属网采用多层结构。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述鼓风机为微型轴流式风扇。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一加热装置为加热带，所述加热带包裹在所述管道前段的管道周围，所述第一温度传感器为热电偶，所述第一温度传感器设置于所述管道前段的管道内部。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二加热装置为加热管，所述加热管设置于所述金属网上，所述第二温度传感器为热电偶，所述第二温度传感器设置于金属网周围。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第三加热装置为加热丝，所述加热丝内镶于所述燃油催化氧化器的外壁，所述第三温度传感器为热电偶，所述第三温度传感器设置在所述燃油催化氧化器外壁内侧。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述燃油催化氧化器内部设置有载体部件，在所述载体部件的表面覆盖有燃油催化剂。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述载体部件为多孔陶瓷材料。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述燃油催化剂至少为铂、铑、钯中的一种。

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