一种发动机进气及防冻液预热组合系统及其预热方法
阅读说明：本技术 一种发动机进气及防冻液预热组合系统及其预热方法 (Engine air intake and antifreeze liquid preheating combined system and preheating method thereof ) 是由 严伟 高品佳 高志男 刘涌 庞华廷 武振海 刘立东 刘剑峰 李志勇 魏了 杨少东 于 2020-06-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种发动机进气及防冻液预热组合系统,包括控制器、空气加热装置、防冻液预热组件和连通用的管道,外界冷空气经过所述空气加热装置升温后通过管道将高温空气输入至所述发动机进气管中,防冻液经过所述防冻液预热组件加热后输运至发动机水套内,所述空气加热装置、防冻液预热组件均与所述控制器电连接,所述控制器与车辆上的蓄电池相连实现供电。本发明的预热组合系统独立于车辆,仅利用车辆上蓄电池少量供电和油箱少量供油便可以实现发动机进气高效预热,迅速提升进气温度及防冻液的温度,从而提升了机油温度,降低启动扭矩,使得发动机在苛刻的低温条件下顺利启动。(The invention discloses an engine air inlet and antifreeze liquid preheating combined system which comprises a controller, an air heating device, an antifreeze liquid preheating assembly and a pipeline for connection, wherein outside cold air is heated by the air heating device and then is input into an air inlet pipe of an engine through the pipeline, antifreeze liquid is heated by the antifreeze liquid preheating assembly and then is conveyed into a water jacket of the engine, the air heating device and the antifreeze liquid preheating assembly are electrically connected with the controller, and the controller is connected with a storage battery on a vehicle to realize power supply. The preheating combined system is independent of the vehicle, and can realize efficient preheating of the air inlet of the engine by only utilizing a small amount of power supplied by a storage battery and a small amount of oil supplied by an oil tank on the vehicle, so that the air inlet temperature and the temperature of the anti-freezing solution are quickly increased, the temperature of engine oil is increased, the starting torque is reduced, and the engine can be smoothly started under a severe low-temperature condition.)
技术领域
本发明涉及汽车动力系统技术领域，尤其涉及一种发动机进气及防冻液预热组合系统及其预热方法。
背景技术
发动机顺利启动时需要满足两个条件，一是缸内压缩气体必须达到燃油着火温度，才能使得燃油混合气顺利起燃，第二，发动机转速必须达到设定要求。但是在极寒地区，缸内空气温度极低，如果不采用辅助加热措施，发动机缸内压缩终了温度不能满足要求，目前常见提升进气温度的措施是加装缸内预热塞、进气预热电阻丝等，但是进气预热电阻丝受蓄电池亏电影响发热功率低，且与空气接触面积小，很难在短时间提升进气温度达到启动要求。另外，低温时，润滑机油粘度增加,发动机运动件之间的摩擦阻力增大，再加上因低温导致的蓄电池亏电，启动机功率不足，造成发动机启动转速降低，难以顺利启动。将防冻液加热，不仅使得气缸壁、缸盖下底面均能升温，提升燃烧室温度，同时，机油在机油冷却器中也被防冻液加热，使得发动机启动时，升温的机油能够优先供给主油道及曲轴的各个摩擦副，降低启动扭矩。因此，采用恒定温度热空气及防冻液的进气及防冻液预热组合装置对发动机进气系统及防冻液进行预热，能够快速提升进气温度，降低启动扭矩，使得发动机在极寒地区也能顺利启动。
发明内容
本发明的目的是提供一种发动机进气及防冻液预热组合系统，在发动机启动之前，进气及防冻液预热组合装置通过燃烧燃油，利用燃烧火焰及排气经过气气换热器为发动机提供大流量热空气，同时通过气液换热器加热防冻液，实现在低温时大幅增加进气温度，继而提升缸内压缩终了温度，加热的防冻液，使得机油温度升高，从而降低曲轴各个摩擦副阻力，提升启动转速，为发动机顺利启动提供条件。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明一种发动机进气及防冻液预热组合系统，包括控制器、空气加热装置、防冻液预热组件和连通用的管道，外界冷空气经过所述空气加热装置升温后通过管道将高温空气输入至所述发动机进气管中，防冻液经过所述防冻液预热组件加热后输运至发动机水套内，所述空气加热装置、防冻液预热组件均与所述控制器电连接，所述控制器与车辆上的蓄电池相连实现供电。
优选的，所述空气加热装置设置为分体结构，包括燃烧器、气气换热器、和控制器，所述燃烧器与所述控制器电连接，所述燃烧器的出气口与所述气气换热器通过管道连通，所述气气换热器通过换热器出气管与发动机进气管连通，所述气气换热器通过排气连接管与防冻液预热组件连通；所述发动机进气管上连接有空气滤清器，发动机未启动前时间段内，高温气体通过发动机进气管进入空气滤清器并通过所述空气滤清器的进气口排出。
优选的，所述燃烧器上设置有电源线、进气口、出气口和油管，所述电源线的另一端与车辆上的蓄电池相连实现供电，所述进气口通过管道与车辆上的空气滤清器相连，所述油管的另一端与车辆上的发动机油箱相连，所述出气口通过管道与所述气气换热器的内腔进气口连接。
优选的，所述气气换热器上设置有换热器进气管、换热器出气管和排气连接管，所述换热器进气管的一端与所述换热器的进气口连通，另一端与风机连通，所述风机的进气口通过管道与车辆上的空气滤清器相连；所述换热器出气管的输入端连接在所述换热器上，所述换热器出气管的输出端直接与所述发动机进气管连通，所述排气连接管的输入端连接在所述换热器上，排气连接管的输出端直接与所述防冻液预热组件连通。
优选的，所述气气换热器具体采用双腔结构，包括内腔和外腔，所述内腔的进气口通过管道与所述燃烧器的所述出气口连接，所述排气连接管的一端与所述内腔连通，排气连接管的另一端与所述防冻液预热组件连通输出一次降温后的高温排气；所述外腔的空气进气口与所述换热器进气管连接，所述外腔的出气口通过与所述换热器出气管连接输出预热空气。
优选的，所述防冻液预热组件包括气液换热器、水泵、机体出水管和缸盖进水管，所述气液换热器的内腔通过所述排气连接管与所述气气换热器的内腔连通，气液换热器的内腔上设置有气液换热器排气管；所述气液换热器的外腔通过换热器进水管与所述水泵连接，所述水泵通过所述机体出水管与机体内的防冻液腔连通，所述气液换热器的外腔另一端通过换热器出水管与缸盖进水管连通。
优选的，所述水泵与所述机体出水管的管道上设置有第一阀门，所述换热器出水管上设置有第二阀门，所述第一阀门、第二阀门均与所述控制器电连接。
优选的，所述空气加热装置设置为整体结构，包括燃烧器、炉膛、气体腔和连接管路，所述燃烧器的一端上设置有电源线、进气口和油管，所述电源线的另一端与车辆上的蓄电池相连实现供电，所述进气口通过管道与车辆上的空气滤清器相连，所述油管的另一端与车辆上的油箱相连，所述燃烧器的另一端伸入到所述炉膛内，所述气体腔包裹设置在所述炉膛的外部；所述炉膛上设置有排气口，所述排气口与外界空气连通；
所述气体腔的一端设置有换热器进气管，所述换热器进气管的另一端与风机连通，所述风机的进气口通过管道与车辆上的空气滤清器相连，所述气体腔的出口端通过换热器出气管与发动机进气管连接；
所述防冻液预热组件包括液体腔和连接管路，所述气体腔的另一端设置有所述液体腔，所述液体腔的一端通过换热器出水管与缸盖进水管连通，所述换热器出水管上设置有第二阀门；所述液体腔的另一端通过换热器进水管与所述水泵连接，所述水泵通过所述机体出水管与机体内的防冻液腔连通，所述机体出水管的管道上设置有第一阀门。
一种利用如上所述的发动机进气及防冻液预热组合系统的预热方法，包括以下几个过程：
过程一、燃烧器工作：通过打开预热系统的启动开关，该启动开关设置在驾驶室的控制面板或受控于发动机控制器上电开关，在控制器的控制下燃烧器开始正常工作，生产出高温排气，所述高温排气通过所述出气口排出；
过程二、气气换热器工作：所述过程一中产生的高温排气通过与出气口连通的管道进入所述气气换热器的内腔中，冷空气在所述风机的作用下通过所述换热器进气管进入到所述气气换热器的外腔中，所述高温排气的热量传递给外腔中的冷空气，冷空气升温成高温气体；一次降温后的排气通过排气连接管排放到防冻液预热组件中；
过程三、发动机进气和防冻液的预热：
发动机进气的预热：所述过程二中气气换热器的外腔中的高温气体在风机的驱动作用下，通过换热器出气管输出预热的高温气体直接进入到发动机进气管中，发动机启动时，高温气体进入气缸内部，使得混合气顺利着火，完成发动机冷启动；发动机未启动前时间段内，高温气体通过空气滤清器的进气口中排出；
防冻液的预热：所述气气换热器的内腔中一次降温后的排气通过排气连接管输出给所述气液换热器的内腔，然后与气液换热器外腔中的防冻液进行热交换后通过气液换热器排气管排出至大气中；
在水泵的作用下，机体内的防冻液通过机体出水管、第一阀门进入气液换热器的外腔中，经过热交换作用加热后，通过换热器出水管、第二阀门、缸盖进水管进入到发动机缸盖内，再通过缸盖进入机体，最后通过机体出水管回到水泵内，实现防冻液的加热循环。
优选的，所述燃烧器的内部设置有点火装置、油泵和动力风机，所述油泵通过油管与车辆上的油箱连通，所述动力风机与所述进气口连通，所述点火装置将所述油管输送的燃油与所述进气口输入空气形成的混合气点燃形成火焰及高温排气，热交换后的排气与所述防冻液预热组件进行二次热交换。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
本发明发动机进气及防冻液预热组合系统，包括冷空气预热组件、防冻液预热组件和多个连通用的管道，冷空气预热组件包括燃烧器、气气换热器和控制器，燃烧器与控制器电连接，燃烧器的出气口与气气换热器通过管道连通，气气换热器通过换热器出气管与发动机进气管连通，气气换热器通过排气连接管与防冻液预热组件连通，其中，防冻液组件包括气液换热器、水泵、机体出水管、换热器出水管和缸盖进水管，以上部件与机体及缸盖的水套连通组成一个自加热循环回路。
通过燃烧器和换热器的设计实现了冷空气转变为高温热源的一个过程，可以将-40℃的冷空气升温至100～150℃，实现发动机进气的高效预热，迅速提升进气温度，进而提高缸内压缩终了温度；同时通过气液换热器加热防冻液，加热的防冻液，使得机油温度升高，从而降低曲轴各个摩擦副阻力，提升起动转速，为发动机顺利起动提供条件，使发动机在苛刻的低温条件下顺利启动；冷空气进入时均通过车辆上的空气滤清器进行过滤，清洁度更高，更加有利于维护设备本身的工作环境，延长设备的使用寿命；此外，与现有技术相比，常规预热的燃烧排气中含水量很高，占排气的5％以上，大量的水汽会对零部件之间的润滑油产生稀释作用，会进一步增加高速运转作业的零部件间的摩擦力，从而降低设备的使用寿命，该预热系统的自然空气热交换升温后，含水量降低，占高温排气的0.05％以下，避免了润滑油含水乳化，有效保证了设备的使用寿命。
总的来说，发动机启动之前，燃烧器利用车辆上蓄电池少量供电和油箱少量供油开始燃烧，燃烧后的高温排气通过出气口连接气气换热器内腔，加热气气换热器外腔中的自然空气，被加热的高温气体进入发动机进气管，为发动机提供大流量热空气，进而提高缸内压缩终了温度，为混合气顺利起燃提供温度条件，同时，从气气换热器内腔出来的一次降温的排气继续加热气液换热器外腔中的防冻液，在循环水泵将升温的防冻液送入发动机机体及缸盖水套中，既提高缸内温度，又在机油冷却器中加热了机油，使得发动机启动时，机油冷却器中被加热的机油优先供给曲轴的各个摩擦副，降低发动机启动扭矩，提升启动转速。
本发明的预热组合系统独立于车辆，仅利用车辆上蓄电池少量供电和油箱少量供油便可以实现发动机进气高效预热，迅速提升进气温度及防冻液的温度，从而提升了机油温度，降低启动扭矩，使得发动机在苛刻的低温条件下顺利启动。
附图说明
下面结合附图说明对本发明作进一步说明。
图1为本发明发动机进气及防冻液预热组合系统工作原理图一；
图2为本发明发动机进气及防冻液预热组合系统工作原理图二；
附图标记说明：1、燃烧器；2、电源线；3、进气口；4、出气口；5、油管；6、控制器；7、气气换热器；8、风机；9、换热器进气管；10、换热器出气管；11、排气连接管；12、发动机进气管；13、空气滤清器；14、气液换热器；141、气液换热器排气口；15、换热器进水管；16、水泵；17、第一阀门；18、机体出水管；19、换热器出水管；20、第二阀门；21、缸盖进水管；22、液体腔；23、炉膛；24、气体腔；25、排气口。
具体实施方式
如图1、2所示，一种发动机进气及防冻液预热组合系统，包括控制器6、空气加热装置、防冻液预热组件和连通用的管道，外界冷空气经过所述空气加热装置升温后通过管道将高温空气输入至所述发动机进气管12中，防冻液经过所述防冻液预热组件加热后输运至发动机水套内，所述空气加热装置、防冻液预热组件均与所述控制器6电连接，所述控制器6与车辆上的蓄电池相连实现供电。
实施例一：
如图1所示，所述空气加热装置设置为分体结构，包括燃烧器1、气气换热器7、和控制器6，所述燃烧器1与所述控制器6电连接，所述燃烧器1的出气口4与所述气气换热器7通过管道连通，所述气气换热器7通过换热器出气管10与发动机进气管12连通，所述气气换热器7通过排气连接管11与防冻液预热组件连通。具体的，所述燃烧器1包括点火装置、油泵和动力风机，所述油泵通过油管与车辆上的油箱连通，所述动力风机与所述进气口连通，所述点火装置将所述油管输送的燃油与所述进气口输入空气形成的混合气点燃形成火焰及高温排气。
具体的，所述燃烧器1上设置有电源线2、进气口3、出气口4和油管5，所述电源线2的另一端与车辆上的蓄电池相连实现供电，所述进气口3通过管道与车辆上的空气滤清器相连，所述油管5的另一端与车辆上的发动机油箱相连，所述出气口4通过管道与所述气气换热器7的内腔进气口连接。该燃烧器1可采购其他设备厂的现有设备，燃烧器的结构不拘泥于一种，也可以采用能满足该功能的其它燃烧器。
所述气气换热器7上设置有换热器进气管9、换热器出气管10和排气连接管11，所述换热器进气管9的一端与所述换热器7的进气口连通，另一端与风机8连通；所述换热器出气管10的输入端连接在所述换热器7上，所述换热器出气管10的输出端直接与所述发动机进气管12连通，所述排气连接管11的输入端连接在所述换热器7上，排气连接管11的输出端直接与所述防冻液预热组件连通。具体的，所述风机8的进气口通过管道与车辆上的空气滤清器相连，可以进一步净化进入的空气，保证发动机内部的清洁度，延长其使用寿命。
所述气气换热器7具体采用双腔结构，包括内腔和外腔，所述内腔的进气口通过管道与所述燃烧器1的所述出气口4连接，所述排气连接管11的一端与所述内腔连通，排气连接管11的另一端与所述防冻液预热组件连通输出一次降温后的热排气；所述外腔的空气进气口与所述换热器进气管9连接，所述外腔的出气口通过与所述换热器出气管10连接输出预热空气。具体的，该气气换热器具体可采用管壳式换热器。
所述防冻液预热组件包括气液换热器14、水泵16、机体出水管18和缸盖进水管21，所述气液换热器14的内腔通过所述排气连接管11与所述气气换热器7的内腔连通，气液换热器14的内腔上设置有气液换热器排气管141；所述气液换热器14的外腔通过换热器进水管15与所述水泵16连接，所述水泵16通过所述机体出水管18与机体内的防冻液腔连通，所述气液换热器14的外腔另一端通过换热器出水管19与缸盖进水管21连通。所述水泵16与所述机体出水管18的管道上设置有第一阀门17，所述换热器出水管19上设置有第二阀门20，所述第一阀门17、第二阀门20均与所述控制器6电连接。
该实施例的工作过程如下：
首先，发动机进气及防冻液预热组合系统根据设计将燃烧器和换热器组装连接到一起；具体的在低温情况下，即一般是指温度低于-40℃，发动机进气及防冻液预热的方法包括以下几个过程：
1)燃烧器1的工作：通过打开预热系统的启动开关，该启动开关设置在驾驶室的控制面板或受控于发动机控制器上电开关，系统在控制器6的控制下，所述燃烧器1的内部设置有点火装置、油泵和动力风机，所述油泵通过油管5与车辆上的油箱连通，所述动力风机与所述进气口3连通，所述点火装置将所述油管5输送的燃油与所述进气口3输入空气形成的混合气点燃形成火焰及高温排气，并通过所述出气口4排出，其中高温排气的温度可达到600～1000℃。
2)气气换热器7的工作：换热过程：具体的，燃烧器1燃烧产生的高温气体，通过与出气口4连通的管道进入气气换热器7的内腔中，换热器的内腔和外腔形成热交换，对外腔的冷空气进行加热，冷空气的温度为-40℃，加热后的温度提升至120℃以上；换热后内腔中的气体温度一次降低至300～400℃，然后降温后的内腔排气通过排气连接管11排放到防冻液预热组件中。
3)过程三、发动机进气和防冻液的预热：
发动机进气预热：所述过程二中气气换热器7的外腔中的高温气体在风机8的驱动作用下，通过换热器出气管10输出预热的高温气体直接进入到发动机进气管12中，发动机启动时，高温气体进入气缸内部，使得混合气升温至0℃以上并顺利着火，完成发动机冷启动；发动机未启动前时间段内，高温气体通过空气滤清器13的进气口中排出；该冷启动的时间可以缩短为12分钟以下，大大提高了启动效率。
防冻液的预热：所述气气换热器7的内腔中一次降温后的排气通过排气连接管11输出给所述气液换热器14的内腔，然后与气液换热器14外腔中的防冻液进行热交换后通过气液换热器排气管141排出至大气中；通过二次热交换后，排气温度降至120℃以下排到大气中。
在水泵16的作用下，机体内的防冻液通过机体出水管18、第一阀门17进入气液换热器14的外腔中，经过热交换作用加热后，通过换热器出水管19、第二阀门20、缸盖进水管21进入到发动机缸盖内，再通过缸盖进入机体，最后通过机体出水管18回到水泵16内，实现防冻液的加热循环。该过程中，防冻液可以从-40℃，升温至0℃以上。
实施例二：
如图2所示，所述空气加热装置设置为整体结构，包括燃烧器1、炉膛23、气体腔24和连接管路，所述燃烧器1的一端上设置有电源线2、进气口3和油管5，所述电源线2的另一端与车辆上的蓄电池相连实现供电，所述进气口3通过管道与车辆上的空气滤清器相连，所述油管5的另一端与车辆上的油箱相连，所述燃烧器1的另一端伸入到所述炉膛23内，所述气体腔24包裹设置在所述炉膛23的外部；所述炉膛23上设置有排气口25，所述排气口25与外界空气连通；
所述气体腔24的一端设置有换热器进气管9，所述换热器进气管9的另一端与风机8连通，所述风机8的进气口通过管道与车辆上的空气滤清器相连，所述气体腔24的出口端通过换热器出气管10与发动机进气管12连接；
所述气体腔24的另一端设置有液体腔22，所述液体腔22的一端通过换热器出水管19与缸盖进水管21连通，所述换热器出水管19上设置有第二阀门20；所述液体腔22的另一端通过换热器进水管15与所述水泵16连接，所述水泵16通过所述机体出水管18与机体内的防冻液腔连通，所述机体出水管18的管道上设置有第一阀门17。
该实施例的工作过程如下：
首先，发动机进气及防冻液预热组合系统根据设计将燃烧器和换热器组装连接到一起；具体的在低温情况下，即一般是指温度低于-40℃，发动机进气及防冻液预热的方法包括以下几个过程：
1)燃烧器1的工作：通过打开预热系统的启动开关，该启动开关设置在驾驶室的控制面板或受控于发动机控制器上电开关，系统在控制器6的控制下，所述燃烧器1的内部设置有点火装置、油泵和动力风机，所述油泵通过油管5与车辆上的油箱连通，所述动力风机与所述进气口3连通，所述点火装置将所述油管5输送的燃油与所述进气口3输入空气形成的混合气点燃形成火焰及高温排气，并通过所述燃烧器1的一端进入到炉膛23内进行首次热交换，其中高温排气的温度可达到600～1000℃。
2)气体腔24的工作：
换热过程一：燃烧器1燃烧产生的高温气体，通过燃烧器1的端部进入到炉膛23中，通过风机8进入的冷空气在气体腔24内吸热升温后，通过与换热器出气管10直接进入到发动机进气管12中；其中，冷空气的温度为-40℃，加热后的温度提升至120℃以上；
换热过程二：所述防冻液预热组件包括液体腔22，液体腔22设置于所述气体腔24的前端，且周向围绕于炉膛23的前端上，炉膛23中的火焰及高温排气通过热交换对液体腔22内的防冻液进行加热，该过程中，防冻液可以从-40℃，升温至0℃以上；
3)发动机进气和防冻液的预热：
发动机进气预热：所述过程二中气体腔24中的高温气体在风机8的驱动作用下，通过换热器出气管10输出预热的高温气体直接进入到发动机进气管12中，发动机启动时，高温气体进入气缸内部，使得混合气升温至0℃以上并顺利着火，完成发动机冷启动；发动机未启动前时间段内，高温气体通过空气滤清器13的进气口中排出；
防冻液的预热：所述炉膛23中两次降温后的排气通过排气口25输出至大气中，通过两次热交换后，排气温度降至120℃以下排到大气中；在水泵16的作用下，机体内的防冻液通过机体出水管18、第一阀门17进入液体腔22中，经过热交换作用加热后，通过换热器出水管19、第二阀门20、缸盖进水管21进入到发动机缸盖内，再通过缸盖进入机体，最后通过机体出水管18回到水泵16内，实现防冻液的加热循环。该过程中，防冻液可以从-40℃，升温至0℃以上。
总的来说，所有动力部件均与控制器6电连接，控制器内放置有微处理器，该微处理器可以根据设定控制各个部件的运行时间，也可根据设定温度或其他感应设备信号传递发出相应的控制指令。对于该装置的应用可以采用任何合适的微处理器，并且根据输入给微处理器的各种信号进行发动机启动所要求的程序编程，对于熟知计算机和发动机技术的人员来说，是比较轻松的事。
由此可见，该预热装置工作时，运行达到预设时间后，通过控制器6内设定的微处理器停止运行，即完成发动机的预加热过程，然后进入发动机启动阶段。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。