CN112832934B - 一种多级甲醇加热装置及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多级甲醇加热装置和工作方法，包括并列设置的发生管和空气进气管，发生管内具有至少两级加热发生室，每一级加热室分别与空气进气管连接，每一级加热发生室均具有甲醇喷油器，除最后一级加热发生室不具有加热棒外，其余各级加热发生室均具有加热棒。采用多级加热的方式利用少量甲醇燃烧的热量来加热下一级的甲醇，降低了甲醇汽化的初始启动能量，降低了电池的负载。

Description

一种多级甲醇加热装置及工作方法

技术领域

本发明涉及甲醇内燃机技术领域，具体为一种多级甲醇加热装置及工作方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

甲醇作为一种比较新的内燃机燃料价格便宜，环境友好，热效率比较高，在内燃机领域作为替代燃料应用比较广泛。但是甲醇在实际的应用环境下会有冷启动困难的问题，由于甲醇的汽化潜热是柴油和汽油的三倍左右，甲醇在汽化之前要先吸收较多的热量才会开始汽化，汽化潜热高导致甲醇不能良好的汽化，未完全汽化的甲醇吸附在进气道上无法进入气缸，致使发动机燃料供应不足，动力性降低，而进入气缸未汽化的液态甲醇吸热还会降低热效率。

目前，采用甲醇作为燃料的内燃机的通常采用柴油或者汽油来点燃或者加热甲醇，但是甲醇在反应阶段会产生水，会使汽油喷嘴冷凝堵塞，冷启动效果较差。而使用电加热的时候，需要的能量较高，汽车上的电压由车载蓄电池提供，输出电压固定，能量较高意味着较大的电流，大电流影响蓄电池的寿命。

现有的柴油机以及汽油机无论是进气道喷射或者缸内直喷，都可以在冷启动的时候有一个比较好的启动特性，但是甲醇由于汽化潜热大，无论是进气道喷射还是缸内直喷，较大的汽化潜热都会导致冷启动性能变差。改换甲醇之后，经济性虽然有所提升，但因为汽化潜热较大，冷启动性能仍然很差。正常行驶的过程中由于甲醇汽化不良会导致汽车循环变动，车速不稳定，并且会导致动力性不足。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种多级甲醇加热装置及工作方法，使用多级加热来加热甲醇，利用少量甲醇燃烧的热量来加热下一级的甲醇，降低了最开始的启动能量，降低了电池的负载。第一级加热使用加热棒单独加热，提供甲醇汽化的能量，汽化后与空气混合被加热棒点燃，燃烧产生的热量使废气膨胀，继续加热下一级的甲醇。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供一种多级甲醇加热装置，包括并列设置的发生管和空气进气管，发生管内具有至少两级加热发生室，每一级加热室分别与空气进气管连接，每一级加热发生室均具有甲醇喷油器，除最后一级加热发生室不具有加热棒外，其余各级加热发生室均具有加热棒。

第一级加热发生室的出气口与下一级加热发生室的进气口连接，最后一级加热发生室的出气口与发动机气缸连接。

发生管为各级加热发生室嵌套结构，后一级加热发生室的体积大于前一级加热发生室的体积，后一级加热发生室的入口直径大于前一级加热发生室的出口直径；每一级加热发生室的入口直径均大于该级加热发生室的出口直径，每一级加热发生室的直径沿甲醇流动方向逐步缩小，发生管的直径随着加热发生室级数的增加逐步缩小。

各级加热发生室内的甲醇喷油器和加热棒均与控制器连接。

各级甲醇喷射器分别与甲醇油轨的出口连接，甲醇油轨通过甲醇泵连接甲醇箱。

本发明的第二个方面提供上述多级甲醇加热装置的工作方法，包括以下步骤：

步骤1：甲醇泵启动，分别供应给各级甲醇喷油器，各级甲醇喷油器接收控制器的指令依次启动；

步骤2：第一级加热棒启动，点燃第一级加热发生室内的甲醇；

步骤3：第一级加热发生室内的甲醇燃烧，携带热量的废气进入第二级加热发生室，同时将空气吸入到第二级加热发生室内；

步骤4：第二级加热发生室的甲醇被第一级甲醇燃烧后的热量加热汽化，被第二级加热发生室的加热棒点燃，携带热量的废气进入下一级加热发生室，同时将空气吸入到下一级加热发生室内；

步骤5：重复步骤4，直到燃烧后的甲醇进入最后一级加热发生室，加热最后一级加热发生室喷射出的甲醇至汽化，与空气混合后进入发动机。

步骤1开始前，空气进气管启动，空气由空气进气管进入发生管。

后一级加热发生室的加热棒启动时间晚于前一级加热发生室的加热棒。

后一级加热发生室的甲醇喷油器的甲醇喷射量大于前一级加热室的甲醇喷油器。

与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

使用多级加热的方式来加热甲醇，利用少量甲醇燃烧的热量来加热下一级的甲醇，降低了甲醇汽化的初始启动能量，降低了电池的负载。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明一个或多个实施例提供的整体结构示意图；

图中：1、空气进气端；2、空气进气管；3、第一级加热发生室；4、第一级甲醇喷油器；5、第一级加热棒；6、第二级甲醇喷油器；7、第二级加热棒；8、第三级甲醇喷油器；9、第三级加热发生室；10、甲醇箱；11、甲醇泵；12、甲醇油轨；13、控制器；14、第二级加热发生室。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术中所描述的，甲醇发动机燃烧的是甲醇蒸汽和空气的混合物，甲醇常温下为液态，具有相对较高的汽化潜热(约为柴油或汽油的三倍左右)，甲醇汽化之前要先吸收较多的热量才会逐步汽化，此种特性会使得甲醇发动机的冷启动性能不佳，需要在甲醇燃烧之前先给予一个较多的热量输入才能使整个发动机系统完成启动循环。

因此以下实施例中给出了一种多级甲醇加热装置的结构和工作方法，利用加热棒作为各级加热装置对进入发生管各级加热发生室的甲醇加热汽化，经加热棒点燃后产生携带热量的废气作为下一级加热发生室的加热装置，由于各级加热发生室采取嵌套结构，使发生室的出口直径逐步缩小，进而使废气的流速增加，压力降低则能够吸入越来越多的空气帮助燃烧，相应的，后续的几级加热过程会喷射出越来越多的甲醇燃料，最终将加热后的甲醇和空气的混合物送入发动机气缸，此种方式下每一级加热发生室加热棒产生的热量是越来越少的，如果采取电能加热则会节省较多的电源。

实施例一：

一种多级甲醇加热装置，包括具有至少两级加热发生室的发生管，第一级加热发生室3内具有第一级甲醇喷油器4和第一级加热棒5，喷入的甲醇利用第一级加热棒5提供甲醇汽化的能量，点燃汽化后的甲醇；第二级甲醇蒸发的热量由第一级甲醇燃烧提供，第二级以及之后的加热室由对应的甲醇喷油器提供燃料供应，各级加热发生室内的加热棒负责点燃混合气体，且后续甲醇蒸发的能量均由前一级混合气体燃烧产生，最后一级加热室内不具有加热棒，只采用甲醇喷油器，喷油器喷射的甲醇量就是进入发动机气缸的甲醇量。

如图1所示，一种多级甲醇加热装置，包括并列设置的发生管和空气进气管2，发生管内具有至少两级加热发生室，每一级加热室分别与空气进气管2连接，每一级加热发生室均具有甲醇喷油器，除最后一级加热发生室不具有加热棒外，其余各级加热发生室均具有加热棒。

第一级加热发生室的出气口与下一级加热发生室的进气口连接，最后一级加热发生室的出气口与发动机气缸连接。

发生管为各级加热发生室嵌套结构，后一级加热发生室的体积大于前一级加热发生室的体积，后一级加热发生室的入口直径大于前一级加热发生室的出口直径，每一级加热发生室的入口直径均大于出口直径；发生管的直径随着加热发生室级数的增加逐步缩小，同时每一级加热发生室的直径随甲醇流动逐步缩小。

例如，以附图1提出的三级加热为例：

第一级加热发生室3顶部安装第一级甲醇喷油器4和第一级加热棒5，第二级加热发生室14顶部安装第二级甲醇喷油器6和第二级加热棒7，第三级加热发生室9是最后一级加热，只具有第三级甲醇喷油器8而不具有加热棒。

空气进气管2具有空气进气端1，空气由进气端进入进气管内部，空气进气管2分别与每一级加热发生室连接，提供甲醇燃烧所需的空气，当发生管内的甲醇被各级加热发生室内的加热棒点燃时，由于发生管的直径随加热室级数增加而直径减小，使得燃烧后的混合气体(废气)流速增加压力降低，从而吸入空气进气管2内的空气。

由于各级加热发生室自身的直径随着甲醇流动而逐步减小，则会使各级加热发生室能够不断的吸入燃烧所需的空气，而各级加热发生室嵌套之后形成的发生管同样随着甲醇的流动而直径减小，并且后一级加热发生室的入口直径大于前一级加热发生室的出口直径，后一级加热发生室的提及也大于前一级加热发生室的体积，则使得甲醇燃烧后的废气流速不断增加，能够吸入越来越多的空气，各级甲醇喷油器则喷入越来越多的甲醇帮助燃烧，最终在最后一级加热发生室形成完全汽化的甲醇蒸汽再送入发动机气缸作为燃料燃烧。

随着加热发生室级数的增加，甲醇喷油器喷出的甲醇量越来越多，最终在最后一级加热发生室喷出满足发动机启动所需的甲醇量，同时每一级加热发生室内由前一级甲醇燃烧提供大部分热量，而各级加热棒提供的热量会越来越少，使得最后一级加热发生室不再需要单独的加热棒，整个过程中每一级加热棒提供的总热量是降低的，如果采取车载电池为加热棒供电的方式，则间接的节省了电能消耗。

各级加热发生室内的甲醇喷油器和加热棒被控制器13独立控制，各级加热室根据喷油量来调节中间各级甲醇燃烧的量，需要的燃油量比较多，级数可以增加，增加的结构就是第二级的结构，需要的燃油量越多，需要的级数可以添加的更多，因此本实施例对加热室的级数不做限制。

第一级加热发生室3需要第一加热棒5单独加热，提供甲醇汽化的能量，在开始进气的时候，第一级甲醇喷油器4开始喷油，第一加热棒5加热甲醇蒸发，与空气混合均匀成为甲醇混合气体，第一级第一加热棒5点燃甲醇。

为了避免甲醇混合气体不能被点燃，第一级加热发生室3内的加热棒需要一直加热空气以及甲醇气体并且点燃混合气体，剩下的级数使用各级加热棒来点燃混合气体，为了避免失火，同样需要加热棒一直通电，避免甲醇气体不能被点燃。

甲醇被点燃之后，带有热量的废气进入第二级加热发生室14，点燃之后的混合气燃烧膨胀，并且因为第一级加热发生室的出口直径缩小，流速增加，压力降低，能够吸入空气进气管1里面的空气到达第二加热发生室14。

随着加热室级数的增加，后一级加热发生室的体积大于前一级加热发生室，能够吸入更多的空气，相应的各级甲醇喷油器也会喷入更多的甲醇。每一级甲醇喷射器喷射的甲醇量都在前一级的甲醇量上增加，最后一级的甲醇喷射量是最终需要进入到气缸的甲醇量。同时后一级的喷油器以及加热棒的开始工作时间，在前面喷油器喷射后稍微延迟。

甲醇箱用来提供甲醇，甲醇泵把甲醇箱里面的甲醇吸出来运送给甲醇油轨，最终提供给甲醇喷油器。

例如，各级甲醇喷射器分别与甲醇油轨12的出口连接，甲醇油轨12通过甲醇泵11连接甲醇箱10。

使用多级加热来加热甲醇，利用少量甲醇燃烧的热量来加热下一级的甲醇，降低了最开始的启动能量，降低了电池的负载。

甲醇的汽化潜热较大，使用多级加热可以增加蒸发甲醇的热量，有比较好的汽化能力。

使用多级加热的时，最开始的时候会产生废气，相当于增加了EGR有利于降低排放产物氮氧化物。

实施例二：

本实施例提供多级甲醇加热装置的工作方法，以上述实施例提出的具有三级加热室的加热装置为例，具体为：

空气由空气进气管2进入发生管；

甲醇泵11启动，分别供应给各级甲醇喷油器，各级甲醇喷油器接收控制器13的指令依次启动；

第一级加热棒5启动，对进入第一级加热发生室3内的甲醇加热点燃；

第一级加热发生室3的甲醇燃烧，废气膨胀，在第一级加热发生室3出口直径缩小的结构作用下由第一级加热发生室3的出气口进入第二级加热发生室14，同时将空气进气管2内的空气吸入到第二级加热发生室14内；

第二级甲醇喷油器6启动，向第二级加热发生室14内喷入甲醇，此时这部分甲醇被第一级甲醇燃烧后的热量加热汽化；

第二级加热棒7启动，点燃第二级加热发生室内的甲醇混合气体；

第二级加热发生室内的甲醇燃烧，废气膨胀，在第二级加热发生室出口直径缩小的结构作用下由第二级加热发生室的出气口进入第三级加热发生室，同时将空气进气管2内的空气吸入到第三级加热发生室内；

第三级甲醇喷油器8启动，向第三级甲醇加热发生室内喷入甲醇，此时这部分甲醇被第二级甲醇燃烧后的热量加热汽化；

汽化后的甲醇蒸汽和空气形成混合物进入发动机气缸，发动机压燃/点燃甲醇蒸汽混合物。

加热室的级数不受限制，可以根据实际需要调整所需的级数，当需要的燃油量(甲醇)比较多，级数可以增加，增加的结构就是第二级的结构，需要的燃油量越多，需要的级数可以添加的更多。

后一级的喷油器以及加热棒的开始工作时间，在前面喷油器喷射后延迟，延迟时间依据实际需要设定。

每一级甲醇喷射的甲醇量都在前一级的喷射的甲醇量上增加，最后一级的甲醇喷射量是最终需要进入到气缸的甲醇，也就是上述实施例中三级甲醇喷射器8的喷射量。

使用多级加热的方式来加热甲醇，利用少量甲醇燃烧的热量来加热下一级的甲醇，降低了最开始的启动能量，降低了电池的负载。只需要第一级加热配置一个电流较小的加热装置即可。

由于甲醇的汽化潜热比较大，使用多级加热可以增加最后蒸发甲醇的热量，使整个装置具有比较好的汽化能力。

使用多级加热的时，第一级加热会产生废气，相当于增加了EGR有利于降低排放的氮氧化物。

此外，任何汽化潜热比较大的燃料都可以使用这种加热方式，柴油跟汽油在低温情况下也能使用这种加热方式。第一级加热室使用加热方式是用加热棒，任何其他的加热方式都可以，但要注意加热到对应温度需要的时间。

本实施例使用类似于化油器的结构类型来控制进入蒸发器的甲醇量(各级甲醇喷射器输出的甲醇量)，也可以使用其他类似原理的喷油方式。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多级甲醇加热装置，其特征在于：包括并列设置的发生管和空气进气管，发生管内具有至少两级加热发生室，每一级加热室分别与空气进气管连接，每一级加热发生室均具有甲醇喷油器，除最后一级加热发生室不具有加热棒外，其余各级加热发生室均具有加热棒；每一级加热发生室的出气口与下一级加热发生室的进气口连接，最后一级加热发生室的出气口与发动机气缸连接。

2.如权利要求1所述的一种多级甲醇加热装置，其特征在于：所述发生管为各级加热发生室嵌套结构，后一级加热发生室的体积大于前一级加热发生室的体积，后一级加热发生室的入口直径大于前一级加热发生室的出口直径。

3.如权利要求2所述的一种多级甲醇加热装置，其特征在于：每一级加热发生室的入口直径均大于该级加热发生室的出口直径，每一级加热发生室的直径沿甲醇流动方向逐步缩小，发生管的直径随着加热发生室级数的增加逐步缩小。

4.如权利要求3所述的一种多级甲醇加热装置，其特征在于：各级加热发生室内的甲醇喷油器和加热棒均与控制器连接。

5.如权利要求4所述的一种多级甲醇加热装置，其特征在于：所述各级加热发生室内的甲醇喷射器分别与甲醇油轨的出口连接，甲醇油轨通过甲醇泵连接甲醇箱。

6.一种基于权利要求1-5任一项所述装置的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：甲醇泵启动，分别供应给各级甲醇喷油器，各级甲醇喷油器接收控制器的指令依次启动；

步骤2：第一级加热棒启动，点燃第一级加热发生室内的甲醇；

步骤3：第一级加热发生室内的甲醇燃烧，携带热量的废气进入第二级加热发生室，同时将空气吸入到第二级加热发生室内；

步骤4：第二级加热发生室的甲醇被第一级甲醇燃烧后的热量加热汽化，被第二级加热发生室的加热棒点燃，携带热量的废气进入下一级加热发生室，同时将空气吸入到下一级加热发生室内；

步骤5：重复步骤4，直到燃烧后的甲醇进入最后一级加热发生室，加热最后一级加热发生室喷射出的甲醇至汽化，与空气混合后进入发动机。

7.如权利要求6所述的工作方法，其特征在于：所述步骤1开始前，空气进气管启动，空气由空气进气管进入发生管。

8.如权利要求6所述的工作方法，其特征在于：后一级加热发生室的加热棒启动时间晚于前一级加热发生室的加热棒。

9.如权利要求6所述的工作方法，其特征在于：后一级加热发生室的甲醇喷油器的甲醇喷射量大于前一级加热室的甲醇喷油器。

Images