CN104806414B - 一种汽车发动机预热装置及预热控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车发动机预热装置，包括在发动机每个气缸外侧独立设置的气缸水套、气缸水套进水口上的电控节流阀、加热器、伺服流量泵、水温传感器以及发动机温度探测器和控制器。气缸水套内的冷却水从所述出水管进入所述加热器内进行加热后从所述进水管流出，在伺服流量泵的作用下循环进入气缸水套内进行换热。本发明提供的汽车发动机预热装置，通过单独布置的水套为每个气缸单独加热，使发动机受热更为均匀，减小了发动机的温度梯度，起到保护发动机的作用。通过调节加热器的加热量和伺服流量泵的流量，能够在节约能源的同时大大提高了换热效率。

Description

一种汽车发动机预热装置及预热控制方法

技术领域

本发明涉及汽车发动机预热技术领域，特别涉及一种可快速将汽车发动机加热以达到启动温度的预热装置和一种预热控制方法。

背景技术

我国东北、西北高原寒区冬季时间长，气温、气压低，空气含氧量少，在这种低温低氧环境下，重载车辆发动机冷启动困难或不能启动。因此启动前必须进行预加热，确保发动机具备良好的启动条件，保证发动机顺利启动，减少启动磨损，延长车辆的使用寿命。

目前寒区重载车辆上都装有加温器，用于启动前的预热加温，但这些加温器沿用传统结构，加温模式固定，效率低，加热效果差，加温时间长，环境适应性差。从目前使用的情况看，目前的加温装置存在很多问题，可以归纳为：1)加温时间长。一般预热加温时间约为30分钟，随着气温的降低，加温时间将延长，在高原高寒地区，如新疆、西藏地区，由于空气氧含量低，加温时间在50分钟左右，甚至更长。2)加温效果差。由于加温器结构简单，加温器热燃烧效率低，加温热循环效果差，加温***不同部件受热不均，局部容易过热，发动机加热效果差，不利于发动机启动。3)加温操作不便，故障率高，加热模式固定，加热过程不受控，环境适应性差。分析以上问题的原因，首先在结构上，现有加温器燃油泵、风泵和水泵由同一个电机经联动装置拖动，结构大体相似。燃油雾化和工作介质热交换条件固定，加温器以固定的空燃比和热交换速率工作，当环境温度、气压变化时，加温加热效率降低，难于满足寒区典型环境加温需求。其次在控制上，目前加温器的加温过程不可控，加温模式固定，不能根据车辆所处温度环境和海拔气压环境变化调节加温器的工作模式，自动调节加温器的喷油燃烧和热交换速率。第三在操作上，目前的加温器采用手动操作，不能对加温过程进行实时监控，在低温低氧环境下加温器积碳严重，故障较多。

因此，针对目前加温器存在的问题，需要提供一种更智能、高效的加温器，以提高发动机的启动条件。

发明内容

本发明设计开发了一种汽车发动机预热装置，目的是解决现有技术中预热时间长、能源利用率低的的缺陷，实现了高效预热并使发动机受热均匀，起到了保护发动机的效果。

本发明提供的技术方案为：

一种汽车发动机预热装置，其特征在于，包括：

气缸水套，其设置在发动机气缸外侧，所述气缸水套内装有冷却水，以与发动机进行换热，发动机每个气缸外侧独立设置一个所述气缸水套；所述气缸水套上设置有进水口和出水口，每个气缸水套的进水口均连接到进水管，每个气缸水套的出水口均连接到出水管；

电控节流阀，其设置在所述气缸水套进水口上，所述电控节流阀能够改变开度从而调节流入所述气缸水套内冷却水的流量；

加热器，其与所述进水管和出水管连接，气缸水套内的冷却水从所述出水管进入所述加热器内进行加热后从所述进水管流出；

伺服流量泵，其设置在所述进水管或出水管上，以使气缸水套内的冷却水能够循环流入所述加热器内并且能够调节冷却水的流量；

水温传感器，其分别设置在所述进水管和出水管上，以检测经加热器加热前和加热后冷却水的温度；

发动机温度探测器，其设置在发动机每个气缸上，以检测每个气缸的温度；

控制器，其与所述水温传感器、发动机温度探测器、电控节流阀、伺服流量泵以及加热器连接，所述控制器能够根据所述水温传感器、发动机温度探测器采集的温度信号，控制所述伺服流量泵的流量、电控节流阀的开度以及加热器的加热功率，以使发动机快速预热。

优选的是，所述进水管或出水管上设置有流量计，以检测所述进水管或出水管内的冷却水流量，所述流量计与所述控制器连接，将流量信号传递给所述控制器，所述控制器、伺服流量泵、流量计构成一个闭环控制回路，使所述控制器能够更精确的控制伺服流量泵输出的流量。

优选的是，所述气缸水套内设置有无动力叶轮，所述气缸水套内冷却水的流动能够带动所述无动力叶轮旋转，从而增强对流换热效果。

优选的是，所述加热器为燃油加热器，其包括

燃油泵，其与汽车油箱连接，为所述燃油加热器提供燃料；

空气泵，其用于提供燃油燃烧所需的空气；

燃烧器，其与所述燃油泵和空气泵连接，使燃油在所述燃烧器上燃烧，所述燃烧器为多孔介质燃烧器；

换热管，其采用耐高温金属中空管，冷却水从所述换热管中流过，所述燃烧器上产生的火焰作用在所述换热管外表面上，使所述换热管受热，从而加热从所述换热管内流过的冷却水。

其中，所述燃油泵和空气泵与所述控制器连接，以控制燃油量和空气量，从而控制所述燃油加热器的加热量。

优选的是，所述加热器为电热加热器，所述电热加热器包括电热管，冷却水从所述电热管外表面流过，所述电热管与所述控制器连接，通过控制器控制流经所述电热管的电流控制所述电热加热器的加热量。

优选的是，所述预热装置还包括混合室，所述混合室内设置有搅拌棒，每个所述气缸水套出水口均与所述混合室的一端连接，所述混合室的另一端与所述出水管连接，从每个所述气缸水套内流出的水进入所述混合室充分混合后流入到所述出水管内。

优选的是，所述预热装置还包括水箱散热器，用于冷却发动机；

所述水箱散热器两端分别与所述进水管和出水管连接，并且所述水箱散热器与所述加热器并联，所述进水管与水箱散热器和加热器连接处设置有电磁换向阀，所述出水管与所述水箱散热器和加热器连接处也设置有电磁换向阀，所述电磁换向阀与所述控制器连接，通过两个所述电磁换向阀的换向，选择性的将所述气缸水套内冷却水流入到所述加热器内加热或水箱散热器内冷却。

一种汽车发动机预热控制方法，使用上述的汽车发动机预热装置，并包括以下步骤：

步骤一、使用水温传感器实时测量进水管内冷却水水温T_i和出水管内冷却水水温T_o，并使用发动机温度探测器实时测量发动机每个气缸的表面温度T₁、T₂、……、T_m、……、T_n，其中，T_m为第m个气缸表面温度，n为发动机气缸数；

步骤二、采用PID算法调节加热器的加热量，使加热后进水管内冷却水的水温T_i满足

$T_i=\frac{\underset{m=1}{\overset{n}{\Σ}}{T}_m}{n}+{\mathrm{\ΔT}}_1$

其中，ΔT₁为第一预设温度；

步骤三、调节伺服流量泵的工作流量，使进水管水温T_i与出水管内的水温T_o之差，在预设温度范围之内，即

ΔT₂≤T_i-T_o≤ΔT₃

其中，ΔT₂为第二预设温度，ΔT₃为第三预设温度；

步骤四、调节电控节流阀的开度，使发动机相邻两气缸的表面温度之差满足

|T_j-T_j+1|≤ΔT₄

其中，ΔT₄为第四预设温度，j＝1,2,……,n-1。

优选的是，步骤三中，调节伺服流量泵的工作流量的方法为：当进水管水温T_i与出水管内的水温T_o之差小于第二预设温度ΔT₂时，则减小伺服流量泵的工作流量；当进水管水温T_i与出水管内的水温T_o之差大于第三预设温度ΔT₃时，则增大伺服流量泵的工作流量；

步骤四中，调节电控节流阀的开度的方法为：当相邻两气缸的表面温度之差大于第四预设温度ΔT₄时，则在这两个气缸中，将表面温度较低气缸的气缸水套上电控节流阀开度增大，将表面温度较高气缸的气缸水套上电控节流阀开度减小。

优选的是，所述第一预设温度ΔT₁为50摄氏度；所述第二预设温度ΔT₂为5摄氏度；所述第三预设温度ΔT₃为10摄氏度；所述第四预设温度ΔT₄为2摄氏度。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种汽车发动机预热装置，通过单独布置的水套为每个气缸单独加热，使发动机受热更为均匀，减小了发动机的温度梯度，起到保护发动机的作用。通过调节加热器的加热量和伺服流量泵的流量，能够在节约能源的同时大大提高了换热效率。

附图说明

图1为本发明所述的汽车发动机预热装置总体结构示意图。

图2为本发明所述的燃油加热器结构示意图。

图3为本发明所述的电热加热器结构示意图。

图4为本发明所述的汽车发动机预热控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

以直列四缸发动机为例来阐述本发明的具体实施例。

如图1所示，本发明提供了一种汽车发动机预热装置，包括设置在汽车发动机110外的气缸水套120，气缸水套120内装有冷却水，通过冷却水与汽车发动机110的换热，实现了为汽车发动机110进行预热。

汽车发动机110每个气缸外侧均独立设置一个所述气缸水套120，在直列四缸发动机中设置有四个气缸水套120。所述气缸水套120上设置有进水口和出水口，每个气缸水套120的进水口均连接到进水管121上，每个气缸水套120的出水口均连接到出水管122。在每个气缸水套120的进水口上安装有电控节流阀123，通过改变所述电控节流阀123的开度，能够调节流入每个气缸水套120内冷却水的流量。

所述出水管122一端连接有加热器130，从所述出水管流出的冷却水在加热器130内进行加热，加热器130的另一端连接进水管121，加热后的冷却水从进水管121流出重新进入到气缸水套120内，继续与发动机110进行换热。

在所述进水管121或出水管122上设置有伺服流量泵124，其为冷却水的循环提供动力，以使气缸水套120内的冷却水能够循环流入所述加热器130内进行加热。所述伺服流量泵124能够改变工作流量，从而调节冷却水的流量。

所述进水管121和出水管122上均设置有水温传感器125，用于检测经加热器加热前和加热后冷却水的温度。在汽车发动机110每个气缸上均设置有发动机温度探测器111，用于检测每个气缸的温度。

本发明所述的汽车发动机预热装置还包括控制器140，其作为整个装置的控制中心，控制整个装置的运行。所述控制器140与所述水温传感器125、发动机温度探测器111、电控节流阀123、伺服流量泵124以及加热器130连接，所述控制器140能够实时采集水温传感器125和发动机温度探测器111测量的温度值，并根据采集的数据，控制所述伺服流量泵124的流量、电控节流阀123的开度以及加热器130的加热功率，以使汽车发动机110你能够快速预热。

在另一实施例方式中，所述进水管121或出水管122上设置有流量计127，以检测所述进水管121或出水管122内的冷却水流量，所述流量计127与所述控制器140连接，将流量信号作为负反馈信号传递给所述控制器140，所述控制器140、伺服流量泵24、流量计127构成一个闭环控制回路，使所述控制器140能够更精确的控制伺服流量泵124的工作流量。

在另一实施例方式中，所述气缸水套120内设置有无动力叶轮126，当冷却水在气缸水套120内流动时，会带动所述无动力叶轮126旋转，进而使气缸水套120内的冷却水流动更为活跃，从而增强对流换热效果。

如图2所示，在上述技术方案中，所述所述加热器130为燃油加热器，其包括燃油泵131、空气泵132、燃烧器133以及换热管134。所述燃油泵131与汽车的油箱相连接，将油箱中的燃油输送到加热器130内，为加热器130提供燃料。空气泵132能够将空气进行压缩，并将空气输送到加热器130中，为燃料的燃烧提供所需的氧气。燃烧器133与所述燃油泵131和空气泵132连接，燃烧器133采用多孔介质燃烧器，能够更好的将燃油和空气进行充分混合，有利于燃油的充分燃烧，提高燃油的利用效率。燃油在燃烧器133上燃烧产生的火焰直接作用在换热管134上，换热管134采用耐高温的金属中空管，其一端连接进水管121，一端连接出水管122，是冷却水从换热管134中间流过，使火焰直接将冷却水加热。所述燃油泵131和空气泵132与所述控制器140连接，控制器140通过控制燃油泵131喷射的燃油量来调节所述加热器130的加热量。控制器140按照燃油充分燃烧时燃油与空气的占比来调节空气泵132的流量，进而时燃油充分燃烧，提高燃料的利用率。

如图3所示，上述技术方案的另一种实施方式为所述加热器130为电热加热器，所述电热加热器包括电热管135，电热管135通电后能够产生热量，冷却水从所述电热管135外表面流过，进行换热，直接将冷却水加热。电热管135采用蛇形或螺旋形的布置方式，以增大与冷却水的接触面积，来提高换热效果。电热管135与所述控制器140连接，控制器140通过控制流经所述电热管135的电流控制所述电热加热器的加热量。

在另一实施例方式中，所述预热装置还包括混合室150，所述混合室150内设置有搅拌棒151，每个所述气缸水套120出水口均与所述混合室150的一端连接，所述混合室150的另一端与所述出水管122连接，从每个所述气缸水套120内流出的水首先进入所述混合室150进行充分混合后流入到所述出水管122内。

在另一实施例方式中，所述预热装置还包括水箱散热器160，其设置成常规的汽车水箱散热器的形式。所述水箱散热器160两端分别与所述进水管121和出水管122连接，并且所述水箱散热器160与所述加热器130并联，所述进水管121与水箱散热器160和加热器130连接处设置有电磁换向阀170，所述出水管122与所述水箱散热器160和加热器130的连接处也设置有电磁换向阀170，通过两个所述电磁换向阀170的换向，选择性的将所述气缸水套120内冷却水流入到所述加热器130内加热或水箱散热器160内冷却。即在需要对汽车发动机110进行预热时，所述电磁换向阀170控制冷却水流入到加热器130内进行加热，而不会流入到水箱散热器160中。这样使加热的水循环回路与冷却的水循环回路完全隔绝。

如图4所示，本发明所述的控制器140控制汽车发动机预热装置的流程如下：

S210：首先控制器140时时采集水温传感器125测量的进水管121内冷却水水温T_i和出水管122内冷却水水温T_o，以及发动机温度探测器111测量的发动机每个气缸的表面温度T₁、T₂、……、T_m、……、T_n，其中，T_m为第m个气缸表面温度，n为发动机气缸数，本实施例中发动机为四缸发动机，即n＝4。

S220：调节加热器130的加热量，进而控制进水管121内冷却水的水温T_i。

由于进水管121内的水是要流入到气缸水套120内与发动机换热的，因此进水管121内的水的水温需要与发动机的表面温度有温差，才会使进行换热。换热的热流密度与温差成正比，因此需要保证水温和发动机的温度具有一定的温差，并且该温差越大，热流密度也就越大，发动机单位时间吸收的热量也就越多，即发动机满足启动条件的时间也就越短。但温差越大会对发动机的材料造成不良影响，因此温差需要在一定范围内。控制器140可以通过控制加热器130的加热量来调节进水管121内冷却水的水温T_i，可以采用PID算法来控制加热器130的加热量，使加热后进水管内冷却水的水温T_i满足

$T_i=\frac{\underset{m=1}{\overset{n}{\Σ}}{T}_m}{n}+{\mathrm{\ΔT}}_1$

其中，ΔT₁为第一预设温度。

S230：调节伺服流量泵124的工作流量，控制进水管水温T_i与出水管内的水温T_o的温度差。

冷却水的流量影响着换热的效果，如果流量过大，被加热的冷却水进入气缸水套120后还没来得及与发动机进行换热就流出了气缸水套120，流出气缸水套120后温度仍然很高，与外界接触后造成了热量的耗散，造成能源的浪费。但流量过大可以气缸水套120的进水口和出水口温度均很高，这样使冷却水与发动机换热的热力密度较大，缩短了发动机预热时间。需要控制流量在合理的范围之内，使进水管水温T_i与出水管内的水温T_o的温度差满足异地过范围，即减小热量的耗散，又能缩短发动机预热时间。

因此，利用控制器140来调节伺服流量泵124的工作流量，使进水管水温T_i与出水管内的水温T_o之差，在预设温度范围之内，即

ΔT₂≤T_i-T_o≤ΔT₃

其中，ΔT₂为第二预设温度，ΔT₃为第三预设温度。

S240：调节电控节流阀123的开度，控制相邻两气缸的表面温度差。

本发明使用的汽车发动机预热装置采用单独设置的气缸水套120来预热每一个气缸，在预热过程若出现相邻气缸水套120的表面温度不相同，即发动机出现了温度梯度，会对发动机的材料特性造成不良影响，因此通过单独调节每个气缸水套120与发动机换热量，来消除发动机的温度梯度，使发动机受热均匀。通过利用控制器140调节电控节流阀124的开度，改变气缸水套120内冷却水的流量，使发动机相邻两气缸的表面温度之差满足

|T_j-T_j+1|≤ΔT₄

其中，ΔT₄为第四预设温度，j＝1,2,……,n-1。

调节伺服流量泵124的工作流量，控制进水管水温T_i与出水管内的水温T_o的温度差的方法为：

S231：当进水管水温T_i与出水管内的水温T_o之差小于第二预设温度ΔT₂时，则减小伺服流量泵124的工作流量。

S232：当进水管水温T_i与出水管内的水温T_o之差大于第三预设温度ΔT₃时，则增大伺服流量泵124的工作流量。

调节电控节流阀123的开度，控制相邻两气缸的表面温度差的方法为：

S241：当相邻两气缸的表面温度之差大于第四预设温度ΔT₄时，则在这两个气缸中，将表面温度较低气缸的气缸水套120上电控节流阀123开度增大，将表面温度较高气缸的气缸水套120上电控节流阀123开度减小。

在上述技术方案中，所述第一预设温度ΔT₁为50摄氏度；所述第二预设温度ΔT₂为5摄氏度；所述第三预设温度ΔT₃为10摄氏度；所述第四预设温度ΔT₄为2摄氏度。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种汽车发动机预热装置，其特征在于，包括：

气缸水套，其设置在发动机气缸外侧，所述气缸水套内装有冷却水，以与发动机进行换热，发动机每个气缸外侧独立设置一个所述气缸水套；所述气缸水套上设置有进水口和出水口，每个气缸水套的进水口均连接到进水管，每个气缸水套的出水口均连接到出水管；所述气缸水套内设置有无动力叶轮，所述气缸水套内冷却水的流动能够带动所述无动力叶轮旋转，从而增强对流换热效果；

电控节流阀，其设置在所述气缸水套进水口上，所述电控节流阀能够改变开度从而调节流入所述气缸水套内冷却水的流量；

加热器，其与所述进水管和出水管连接，气缸水套内的冷却水从所述出水管进入所述加热器内进行加热后从所述进水管流出；所述加热器包括采用蛇形或螺旋形布置的电热管；

伺服流量泵，其设置在所述进水管或出水管上，以使气缸水套内的冷却水能够循环流入所述加热器内并且能够调节冷却水的流量；

水温传感器，其分别设置在所述进水管和出水管上，以检测经加热器加热前和加热后冷却水的温度；

发动机温度探测器，其设置在发动机每个气缸上，以检测每个气缸的温度；

控制器，其与所述水温传感器、发动机温度探测器、电控节流阀、伺服流量泵以及加热器连接，所述控制器能够根据所述水温传感器、发动机温度探测器采集的温度信号，控制所述伺服流量泵的流量、电控节流阀的开度以及加热器的加热功率，以使发动机快速预热。

2.根据权利要求1所述的汽车发动机预热装置，其特征在于，所述进水管或出水管上设置有流量计，以检测所述进水管或出水管内的冷却水流量，所述流量计与所述控制器连接，将流量信号传递给所述控制器，所述控制器、伺服流量泵、流量计构成一个闭环控制回路，使所述控制器能够更精确的控制伺服流量泵输出的流量。

3.根据权利要求1所述的汽车发动机预热装置，其特征在于，所述加热器为电热加热器，所述电热加热器包括电热管，冷却水从所述电热管外表面流过，所述电热管与所述控制器连接，通过控制器控制流经所述电热管的电流控制所述电热加热器的加热量。

4.根据权利要求3所述的汽车发动机预热装置，其特征在于，所述预热装置还包括混合室，所述混合室内设置有搅拌棒，每个所述气缸水套出水口均与所述混合室的一端连接，所述混合室的另一端与所述出水管连接，从每个所述气缸水套内流出的水进入所述混合室充分混合后流入到所述出水管内。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的汽车发动机预热装置，其特征在于，所述预热装置还包括水箱散热器，用于冷却发动机；

所述水箱散热器两端分别与所述进水管和出水管连接，并且所述水箱散热器与所述加热器并联，所述进水管与水箱散热器和加热器连接处设置有电磁换向阀，所述出水管与所述水箱散热器和加热器连接处也设置有电磁换向阀，所述电磁换向阀与所述控制器连接，通过两个所述电磁换向阀的换向，选择性的将所述气缸水套内冷却水流入到所述加热器内加热或水箱散热器内冷却。

6.一种汽车发动机预热控制方法，其特征在于，使用权利要求1-5中任一项所述的汽车发动机预热装置，并包括以下步骤：

步骤一、使用水温传感器实时测量进水管内冷却水水温T_i和出水管内冷却水水温T_o，并使用发动机温度探测器实时测量发动机每个气缸的表面温度T₁、T₂、……、T_m、……、T_n，其中，T_m为第m个气缸表面温度，n为发动机气缸数；

步骤二、采用PID算法调节加热器的加热量，使加热后进水管内冷却水的水温T_i满足

$T_i=\frac{\underset{m=1}{\overset{n}{\Σ}}{T}_m}{n}+{\mathrm{\ΔT}}_1$

其中，ΔT₁为第一预设温度；

步骤三、调节伺服流量泵的工作流量，使进水管水温T_i与出水管内的水温T_o之差，在预设温度范围之内，即

ΔT₂≤T_i-T_o≤ΔT₃

其中，ΔT₂为第二预设温度，ΔT₃为第三预设温度；

步骤四、调节电控节流阀的开度，使发动机相邻两气缸的表面温度之差满足

|T_j-T_j+1|≤ΔT₄

其中，ΔT₄为第四预设温度，j＝1，2，……，n-1。

7.根据权利要求6所述的汽车发动机预热控制方法，其特征在于，步骤三中，调节伺服流量泵的工作流量的方法为：当进水管水温T_i与出水管内的水温T_o之差小于第二预设温度ΔT₂时，则减小伺服流量泵的工作流量；当进水管水温T_i与出水管内的水温T_o之差大于第三预设温度ΔT₃时，则增大伺服流量泵的工作流量；

步骤四中，调节电控节流阀的开度的方法为：当相邻两气缸的表面温度之差大于第四预设温度ΔT₄时，则在这两个气缸中，将表面温度较低气缸的气缸水套上电控节流阀开度增大，将表面温度较高气缸的气缸水套上电控节流阀开度减小。

8.根据权利要求6或7所述的汽车发动机预热控制方法，其特征在于，所述第一预设温度ΔT₁为50摄氏度；所述第二预设温度ΔT₂为5摄氏度；所述第三预设温度ΔT₃为10摄氏度；所述第四预设温度ΔT₄为2摄氏度。