一种低成本重油发动机冷启动结构与方法
阅读说明：本技术 一种低成本重油发动机冷启动结构与方法 (Low-cost heavy oil engine cold start structure and method ) 是由 赵华 于 2021-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种低成本重油发动机冷启动结构与方法,结构包括连通安装于发动机气缸的混合气电磁阀,与混合气电磁阀连通的燃油电磁阀,以及通过两个空气单向电磁阀与混合气电磁阀连通的气罐。方法包括以下步骤：步骤1启动准备阶段：令发动机倒拖运转,使气缸内的空气压入至气罐中；步骤2、启动阶段：使燃油通过燃油电磁阀、气罐内的空气通过空气单向电磁阀分别进入混合气电磁阀；步骤3、稳定运行阶段：控制混合气电磁阀导通,使混合气电磁阀中混合后的空气、燃油喷射至发动机气缸的燃烧室内。本发明具有易用性好、成本低优点。(The invention discloses a cold start structure and a cold start method for a low-cost heavy oil engine. The method comprises the following steps: step 1 starts the preparation phase: the engine is driven to run reversely, so that the air in the air cylinder is pressed into the air tank; step 2, a starting stage: the fuel oil passes through the fuel oil electromagnetic valve, and the air in the air tank respectively enters the mixed gas electromagnetic valve through the air one-way electromagnetic valve; step 3, stable operation stage: and controlling the conduction of the mixed gas electromagnetic valve to enable the mixed air and fuel oil in the mixed gas electromagnetic valve to be injected into a combustion chamber of an engine cylinder. The invention has the advantages of good usability and low cost.)
技术领域
本发明涉及发动机冷启动领域，具体是一种低成本重油发动机冷启动结构与方法。
背景技术
对于小型发动机来说，使用重油(包含航空煤油，轻柴油)燃料拥有显而易见的优势：重油密度适宜,热值高,燃烧性能好,能迅速、稳定、连续、完全燃烧,且燃烧区域小,积炭量很少,不易结焦；低温流动性好,能满足寒冷低温地区和高海拔对油品流动性的要求；热安定性和抗氧化安定性好；洁净度高,对机械腐蚀小；重油燃点高且不易蒸发，将有助于负责运输和保护燃料的安全；高的燃油效率可以节约燃料和运输费用、延长动力设备的使用时间、降低动力设备的碳排放；高的能量密度则有助于实现质量更轻、体积更小的设计，进一步提高动力设备的使用时间和有效功的使用能力。
重油发动机做功，需要将燃料通过喷嘴喷成颗粒度非常细的雾状，才能与空气充分混合，达到良好的燃烧效果。雾化燃料与空气混合气的形成质量，对于动力性、经济性和排放性都有至关重要的作用。而重油燃料本身的特点，使得重油的雾化效果要比较差，影响了燃烧效果，甚至导致发动机冷启动困难。
目前，为了解决上述重油发动机冷启动存在的问题，重油活塞发动机的重油雾化及燃烧改进方式有如下几种技术路线：
1)进气道电喷+辅助预热：两冲程活塞发动机大多采用化油器供油方式，而直接采用现有化油器很难保证重油的可靠雾化和合理燃烧。因此可以对进气系统、化油器、点火系统设计更改，同时增加辅助起动的预热系统，改善燃料的流动性。这种改进方式中，对进气系统采用加速管；使用电喷系统代替化油器；曲轴箱及重油油路采用尾气预热；降低发动机压缩比；起动加入预热塞；增大点火能量。这种方案的优点是对发动机本体改装较少，所需零部件均为可大批量采购的通用零部件，功重比高，整体成本较低，可靠性较高，国产化率高；缺点是需要增加电加热预热系统，启动较慢。这种技术路线的代表是德国3W公司的重油发动机方案。
2)机械压缩直喷技术：该技术通过增加的附属机械机构驱动，完成燃油的缸内直接喷射和流量调节，将空气与燃油预混压缩后喷入燃烧室，这种方案的优点是，重油发动机在-30℃环境下可以不外加预热装置而实现冷起动，且工作海拔高度可达8000m；缺点是：需要单独的机械喷射调节和驱动装置，整体设计比较复杂，成本较高，而且机械调节系统调节范围有限，自由度和灵活性差，适应范围受限。这种技术路线的代表是美国XRDi公司的重油发动机方案。
3)空气辅助喷射技术：该技术使用一种拉法尔结构的一体化喷嘴或一个油嘴一起气嘴的组合，通过对发动机的改造，在发动机上增加一个气泵从而增加一条低压气路；通过使用低压空气，对燃油颗粒进行冲击，实现燃油的充分雾化；并通过调整辅助空气的压力和开启时间，得到不同的油束雾化效果。这种技术方案的优点是，可实现重油发动机在-30℃环境下无辅助冷启动，油耗也较低；缺点是结构复杂，整机可靠性较低；增加的部件较多，发动机较重，导致功重比较低；由于使用专用喷嘴，全球只有1-2家公司有空气辅助喷嘴批量生产的能力，所以整机成本较高，全自主可控度较低，产量容易受制于人。这种技术路线的代表是澳大利亚Orbital公司的AADI方案。
比较以上的3种技术路线，路线1采用的是重油进气道喷射(PFI)，成本最低，但需要有电加热辅助启动，启动过程的易用性较差；路线2&3分别是高压直喷方式和低压空气辅助直喷方式，启动性能较好，但发动机成本较高，且在发动机运行过程中要通过一个机械结构持续给燃油建立高压，或增加气泵产生压力空气，功率损耗也较大。
发明内容
本发明的目的是提供一种低成本重油发动机冷启动结构与方法，以解决现有技术重油发动机冷启动存在的易用性差、成本高的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种低成本重油发动机冷启动结构，包括混合气电磁阀、燃油电磁阀、气罐，所述混合气电磁阀的出口端连通安装于发动机气缸的燃烧室，混合气电磁阀具有两个进口端，混合气电磁阀的一个进口端与所述燃油电磁阀的出口端连通，所述燃油电磁阀的进口端与外部燃油源连通，混合气电磁阀另一个进口端通过两个并联的空气单向电磁阀与所述气罐连通，其中第一个空气单向电磁阀导通方向为从气罐向混合气电磁阀导通，第二个空气单向电磁阀导通方向为从混合气电磁阀向气罐导通。
进一步的，所述气罐的容量为发动机气缸排量的1/3—1/2。
进一步的，所述混合气电磁阀、燃油电磁阀、两个空气单向电磁阀分别受控连接控制器ECU。
进一步的，所述气罐配置安装有气压传感器，所述气压传感器信号传递连接控制器ECU。
一种低成本重油发动机冷启动方法，包括以下步骤：
步骤1、启动准备阶段：
由控制器ECU控制第二个空气单向电磁阀导通，并令发动机倒拖运转，使发动机气缸内的活塞多次将气缸内的空气通过混合气电磁阀、第二个空气单向电磁阀压入至气罐中；
步骤2、启动阶段：
由控制器ECU控制第二个空气单向电磁阀停止导通，并由控制器ECU控制燃油电磁阀、第一个空气单向电磁阀导通，使燃油通过燃油电磁阀、气罐内的空气通过第一个空气单向电磁阀分别进入所述混合气电磁阀中混合；
步骤3、稳定运行阶段：
由控制器ECU控制第一个空气单向电磁阀停止导通，并由控制器ECU控制混合气电磁阀导通，使混合气电磁阀中混合后的空气、燃油喷射至发动机气缸的燃烧室内。
进一步的，步骤3中，控制器ECU将气罐中的气压与预设的第一气压阈值进行比较，若气罐中的气压小于预设的第一气压阈值，则控制器ECU控制第一个空气单向电磁阀停止导通；若气罐中的气压大于预设的第一气压阈值，则控制器ECU控制第一个空气单向电磁阀保持导通。
进一步的，进行下一次冷启动时，首先由控制器ECU将气罐内的气压与预设的第二气压阈值进行比较，若气罐中的气压大于预设的第二气压阈值，则跳过步骤1，直接按步骤2、3进行冷启动。
本发明为一体化发动机启动用气助直喷喷嘴，单一喷嘴单元上集成了混合气电池阀、油嘴电磁阀和油气混合腔，同时设计了集成式的气罐，使气助直喷喷嘴单元更集成、更紧凑、成本更低。
本发明通过进气和吸气管上的单向阀配合混合气电磁阀的开关，实现压缩空气的自供给，简化掉了其他空气辅助喷射系统设计上的气泵等零部件。
本发明冷启动方法采用三段式启动法：启动准备阶段、启动阶段、稳定运行阶段。启动准备阶段实际上把发动机变成了一个气泵，通过混合气电磁阀的开启配合吸气电磁阀，使高压空气进入压缩空气腔，为启动阶段准备了压缩空气；启动阶段通过压缩空气带动燃油经过缩放管结构的喷孔，使燃油液滴破碎，雾化成喷雾，在火花塞附近形成可燃混合气，从而实现重油的冷启动；稳定运行阶段，启动气助直喷喷嘴单元停止工作，发动机使用PFI喷嘴喷油，发动机稳定运行。
与现有技术相比，本发明提供了一种易用性好、成本低的重油发动机冷启动结构和方法，适用发动机排量范围50cc～3L，发动机形式即可为二冲程又可为四冲程，燃料包括航空煤油或轻质柴油，适用发动机：通用机械、园林工具、发电机、舷外机、无人机发动机、非道路工程机械发动机等。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明一种低成本重油发动机冷启动结构，包括混合气电磁阀1、燃油电磁阀2、气罐3，混合气电磁阀1内部为油气混合腔10，混合气电磁阀1底部出口端设为缩放管结构的喷孔14，混合气电磁阀1底部出口端连通安装于发动机气缸4的燃烧室5顶部，燃烧室5的顶部安装有火花塞9，气缸4的燃烧室5还通过PFI喷嘴11连接进气道12用于通入空气。混合气电磁阀1的侧面具有两个进口端，其中一个进口端作为燃油进口，另一个进口端作为空气进出口。
燃油电磁阀2的进口端与外部燃油源连通，燃油电磁阀2的出口端连通安装于混合气电磁阀1的燃油进口，外部燃油源提供的燃油可通过燃油电磁阀2进入混合气电磁阀1中。由混合气电磁阀1及其内部油气混合气10、燃油电磁阀2、缩放管结构的喷孔14共同构成气助直喷喷嘴单元13。
混合气电磁阀1的空气进出口配置有总分结构的连接管，连接管具有两路分管，其中第一路分管中连通接入有第一个空气单向电磁阀6.1，第二路分管中连通接入有第二个空气单向电磁阀6.2。混合气电磁阀1的空气进出口与连接管的总管端连接，连接管中两路分管管端分别连通于气罐3，其中第一个空气单向电磁阀6.1导通方向为从气罐3向混合气电磁阀1导通，第二个空气单向电磁阀6.2导通方向为从混合气电磁阀1向气罐3导通。
气罐的容量根据发动机气缸的排量选择，可以选择发动机气缸排量的1/3—1/2。
本发明中，混合气电磁阀1、燃油电磁阀2、两个空气单向电磁阀6.1、6.2的控制端分别电连接控制器ECU8的信号输出端，气罐1配置安装有气压传感器7，气压传感器7电连接控制器ECU8的信号输入端。同时，控制器ECU8还分别与第一个空气单向电磁阀6.1、第二个空气单向电磁阀6.2、火花塞9、混合气电磁阀1、燃油电磁阀2、PFI喷嘴11控制电连接。
本发明低成本重油发动机冷启动方法，包括以下三个阶段：
1、启动准备阶段：
由控制器ECU控制第二个空气单向电磁阀6.2导通，并通过起动机或手拉式启动器令发动机倒拖运转2-3次，使发动机气缸4内的活塞压缩行程到达上止点附近，由此将气缸4内的空气通过混合气电磁阀、第二个空气单向电磁阀泵入至气罐3中。此时控制器ECU判断气罐3内的气压是否到达设定值，若到达设定值，则进入下个阶段。
2、启动阶段：
由控制器ECU控制第二个空气单向电磁阀6.2停止导通，并由控制器ECU控制燃油电磁阀2、第一个空气单向电磁阀6.1导通，使燃油通过燃油电磁阀2、气罐3内的高压空气通过第一个空气单向电磁阀6.1分别进入混合气电磁阀1中混合。
启动阶段和前面的启动准备阶段中，第一个空气单向电磁阀6.1、第二个空气单向电磁阀6.2的交错导通间隔根据启动过程需要设计，一般设为1-3ms。
在启动阶段中，也可以首先由控制器ECU将气罐3内的气压与预设的第二气压阈值进行比较，若气罐3中的气压大于预设的第二气压阈值，表明气罐3中仍然有上一次冷启动后剩余的气压能够满足本次冷启动的空气，则此时无须执行启动准备阶段，直接从启动阶段开始进行冷启动。
3、稳定运行阶段：
控制器ECU控制第一个空气单向电磁阀6.1停止导通，并由控制器ECU控制混合气电磁阀1导通，使混合气电磁阀1中混合后的空气、燃油喷射至发动机气缸4的燃烧室内。
步骤3中，控制器ECU可以将气罐3中的气压与预设的第一气压阈值进行比较，若气罐3中的气压小于预设的第一气压阈值，则控制器ECU控制第一个空气单向电磁阀6.1停止导通。
若气罐3中的气压大于预设的第一气压阈值，表明气罐3中仍然具有足够气压的空气，则此时控制器ECU控制第一个空气单向电磁阀6.1保持导通，使气罐3中的空气进入发动机的气缸4，进而使发动机获得近似增压的效果。
本发明所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。
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