張艷輝，于 翔（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，長春 130011）

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柴油機冷起動輔助措施的匹配優(yōu)化試驗研究

張艷輝，于 翔
（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，長春 130011）

摘要：重點論述了柴油機冷啟動輔助裝置燃油加熱器的選型試驗。對燃油加熱器優(yōu)劣的評價指標進行了分析研究，提出了燃油加熱器的評價方法。最后通過樣本CFD分析，優(yōu)化了燃油加熱器與發(fā)動機之間水路系統(tǒng)的匹配，實際效果進行了試驗驗證。

關(guān)鍵詞：冷起動；燃油加熱器；選型試驗；匹配優(yōu)化

前言

冷起動性能是柴油機的重要性能之一，發(fā)動機必須具備良好的冷起動性能，才能保證車輛的低溫環(huán)境下的正常工作。從市場調(diào)查及發(fā)動機整車標定試驗統(tǒng)計，在環(huán)境溫度-35 ℃以上條件下，車輛基本都能在設(shè)計目標時間內(nèi)順利起動成功。但在環(huán)境-40 ℃以下，如果車輛不加裝特殊的輔助起動裝置，基本無法自然起動。

1　燃油加熱器

燃油加熱器是目前普遍采用的一種輔助預(yù)熱裝置。它的工作原理是：油料在燃油加熱器的燃燒器內(nèi)燃燒，將熱量通過熱交換器傳遞給冷卻液來加熱發(fā)動機整機。發(fā)動機被加熱后，氣缸、活塞、活塞環(huán)以及各軸承的溫度升高，存在于這些摩擦副之間的機油溫度也隨之升高，降低了起動阻力，增加了起動轉(zhuǎn)速，從而提高了壓縮終了時的溫度與壓力，使發(fā)動機很容易起動。其工作原理如圖1所示。

圖1　為燃油加熱器工作原理示意圖

2　燃油加熱器的選型試驗

2.1 選型產(chǎn)品

某項目在整車冷起動方面開發(fā)目標定為：整車在-41 ℃環(huán)境條件下發(fā)動機成功起動。柴油發(fā)動機型號為CA6DL2-35E3R，在4款產(chǎn)品中進行燃油加熱器選型試驗。其中A和B產(chǎn)品為國外對標產(chǎn)品，C和D是本次試驗的選型樣本產(chǎn)品。選型試驗的4款產(chǎn)品的具體參數(shù)如表1所示。

2.2 具體試驗方案

1）將裝有發(fā)動機的標準臺架置于環(huán)境倉內(nèi)，環(huán)境倉溫度設(shè)定在-41 ℃，經(jīng)同溫處理12 h以上，冷卻液溫度（發(fā)動機出水溫度）和機油達到-40±1 ℃后方可進行試驗。

2）同溫處理滿足試驗條件后，開始試驗。以起動加熱器按鈕開始計時，22 min后關(guān)閉加熱器，啟動發(fā)動機。

2.3 選型試驗結(jié)果分析

1）冷卻液水溫度升溫效果

選型試驗結(jié)束時刻，各冷卻液溫度測量點的數(shù)據(jù)見表2。

從燃油加熱器使用目的出發(fā)，加熱發(fā)動機內(nèi)部機體是最終目的，所以在相同時間內(nèi)，以發(fā)動機內(nèi)部機體加熱程度做為評價燃油加熱器性能好壞的最主要指標。

用發(fā)動機出水溫度代表缸體加熱程度，做為加熱效果的主要判定依據(jù)。根據(jù)試驗結(jié)果比較，發(fā)動機出水溫度從高到低排序依次為：B＞A＞D＞C。

2）耗電量

影響柴油機低溫冷起動的主要因素之一是起動力矩，起動前的蓄電池電量的多少，決定起動力矩的大小。蓄電池電量的剩余量是評價燃油加熱器的另一個主要參數(shù)，表3中為試驗測量數(shù)據(jù)。耗電量從多到少依次是：C＞D＞B＞A。

注：用電量計算公式為=òVIDt Q

3）拖動轉(zhuǎn)速

燃油加熱器工作22 min后，關(guān)閉加熱器，起動發(fā)動機起動，對比4次選型試驗發(fā)動機起動結(jié)果如表4所示。

拖動轉(zhuǎn)速的高低直接影響發(fā)動機是否能順利起動，從上述數(shù)據(jù)分析，4次試驗發(fā)動機起動的拖動轉(zhuǎn)速，均已經(jīng)滿足發(fā)動機起動條件，通過數(shù)據(jù)對比，最利于發(fā)動機起動條件依次為：B＞A＞D＞C。

表1　4款柴油發(fā)動機的具體參數(shù)

表2　各冷卻液溫度測量點的數(shù)據(jù)

表3　柴油機耗電量試驗測量數(shù)據(jù)

表4　4次選型試驗發(fā)動機起動結(jié)果對比

通過從冷卻液溫度、用電量和發(fā)動機起動驗證3項指標進行比較，D樣品優(yōu)于C樣品，所以最終選擇D樣品。

3　D型燃油加熱器裝機后發(fā)動機預(yù)熱性能的匹配優(yōu)化

燃油加熱器加熱效率、加熱器的耗電量等指標的差異，是由于燃油加熱器本體性能差異所決定。但燃油加熱器對發(fā)動機機體的加熱效果，還與燃油加熱器與發(fā)動機連接水路的匹配設(shè)計有很大關(guān)系。為了更好的優(yōu)化D型燃油加熱器的預(yù)熱性能，現(xiàn)進行了D型燃油加熱器裝機匹配優(yōu)化。

3.1 燃油加熱器與發(fā)動機的連接水路原方案（選型試驗方案）

原連接方式照片和示意圖如圖2所示。圖2a）中圈1標記為加熱器進水口，圈2標記為加熱器出水口。

圖2b）中虛線表示燃油加熱器工作時的循環(huán)水路，燃油加熱器加熱的冷卻液從發(fā)動機上部節(jié)溫器前端進入發(fā)動機，冷卻液在發(fā)動機機體內(nèi)循環(huán)后，從水泵處加裝的出口流出，進入加熱器進水口，形成循環(huán)閉合回路。圖中實線表示發(fā)動機工作狀態(tài)，節(jié)溫器關(guān)閉條件下，為內(nèi)部循環(huán)水路。

3.2 水路控制閥門

對于發(fā)動機總成來說，發(fā)動機出水口位于機體上端，發(fā)動機入水口（水泵）位于機體下端，發(fā)動機機體的循環(huán)水路與燃油加熱器工作的循環(huán)水路正好相反，所以在發(fā)動機入水口（水泵）與燃油加熱器連接管路之間增加了控制閥門。在使用燃油加熱器前將此閥門打開，燃油加熱器工作結(jié)束后，發(fā)動機起動之前，此閥門必須關(guān)閉，防止發(fā)動機起動后，燃油加熱器內(nèi)水流逆向循環(huán)損壞燃油加熱器。

3.3 燃油加熱器的加熱效果

對比燃油加熱器進出水溫差與發(fā)動機缸體前、中和后表面溫度分布，22 min試驗結(jié)束時刻數(shù)據(jù)如表5所示。

由表5可知以下兩點：

1） 燃油加熱器進出水溫差比較大；

2）發(fā)動機缸體表面溫度不均勻。

圖2　選型方案的照片及水路示意圖

表5　燃油加熱器加熱效果試驗結(jié)束時刻數(shù)據(jù)

發(fā)動機缸體表面溫度不均勻，初步分析由于燃油加熱器工作過程中，發(fā)動機機體內(nèi)的水流分配不合適造成的。由于機體內(nèi)的水流量分配不合適，出現(xiàn)局部升溫過快現(xiàn)象，同時環(huán)境溫度很低，加快了局部機體表面的散熱，散去的熱量過多，造成燃油加熱器進水口溫度較低（體現(xiàn)在燃油加熱器進出水溫差比較大）。

3.4 燃油加熱器與發(fā)動機連接水路系統(tǒng)的優(yōu)化

3.4.1 選型試驗發(fā)動機循環(huán)水路分析

從選型試驗燃油加熱器與發(fā)動機連接水路進行分析，此工程應(yīng)用屬于流體力學中的并聯(lián)管路水流量分配原理。

圖3　選型方案并聯(lián)水路示意圖

將發(fā)動機內(nèi)部水路簡化成小循環(huán)水路、缸蓋水套、缸體水套和機油冷卻器水套如圖2b）所示。

選型試驗中的水路布置分配如圖3所示。

a點上流量為：

并聯(lián)節(jié)點a、b間的阻力損失，從能量平衡觀點來看，無論是1支路還是2支路均等于a、b兩節(jié)點的壓頭差。

設(shè)S為并聯(lián)管路的總阻抗，Q為總流量：

將上式整理得出：

于是得到并聯(lián)管路計算原則：并聯(lián)節(jié)點上的總流量為各支管中流量之和；并聯(lián)各支管上的阻力損失相等。總的阻抗平方根倒數(shù)等于各支管阻抗平方根倒數(shù)之和。

進一步分析式（4），將它變?yōu)椋?/p>

此式即為并聯(lián)管路流量分配規(guī)律。它的意義在于，各分支管路的管段幾何尺寸、局部構(gòu)件確定后，按照節(jié)點間各分支管路的阻力損失相等，來分配各支管上的流量，阻抗S大的支管其流量小，S小的支管其流量大。

從燃油加熱器試驗得出發(fā)動機缸體表面加熱不均勻，此現(xiàn)象是由于發(fā)動機水路循環(huán)系統(tǒng)中，兩條并聯(lián)管路水流量分配有差異造成的，即是兩條并聯(lián)管路中阻抗有明顯大小差異。

3.4.2 發(fā)動機水路計算分析

為了明確發(fā)動機水套內(nèi)部各部分的壓力分布，進行了發(fā)動機整機CFD分析。

下圖4是整個水套的壓力分布情況，在350 L/min流量時，各部分的壓降值如下：

圖4　壓降結(jié)果

機冷器水套部分壓降：0.14 bar

缸體水套部分壓降：0.27 bar

缸蓋水套部分壓降：0.5 bar

小循環(huán)水路部分壓降：0.02 bar

從分析結(jié)果可以得出，以上四部分水路的阻力比值關(guān)系如下：

小循環(huán)水路：機冷器水套：缸體水套：

缸蓋水套=1：7：13.5：25。

由于發(fā)動機水路結(jié)構(gòu)是固定的，水路個部分阻力的比值不會隨水流量的變化而變化，所以此阻力關(guān)系可以應(yīng)用在燃油加熱器水路匹配關(guān)系中。

3.4.3 燃油加熱器水路匹配

根據(jù)CFD計算結(jié)果可以知道，在原連接方式中，兩條管路的阻力為1：45.5，配比嚴重失衡。通過調(diào)整小循環(huán)水路、缸蓋水套、缸體水套和機油冷卻器水套，這些主要水路部件在管路1和2中的位置，使1和2管路中的阻力近似相等，來優(yōu)化并聯(lián)管路，使燃油加熱器的加熱效果達到最佳狀態(tài)。

通過更改發(fā)動機機體部分磨具，重新確定了燃油加熱器與發(fā)動機連接的進出水口的位置，見圖5。

圖5a）中圈1標記為加熱器進水口，圈2標記為加熱器出水口。示意圖中虛線表示優(yōu)化后的燃油加熱器工作循環(huán)水路。示意圖如圖6表示。

重新布置后并聯(lián)管路1和2的阻力比為26：20.5，兩條管路的阻力配比基本達到平衡；同時由發(fā)動機機體后端入水，使得燃油加熱器工作的循環(huán)水路與發(fā)動機機體的循環(huán)水路方向相同，取消了水路控制閥門，不用擔心由于誤操作而使得燃油加熱器損壞，一舉兩得。

3.5 優(yōu)化后的開發(fā)驗證性試驗

按照優(yōu)化后的設(shè)計，重新制作了發(fā)動機試驗臺架。按照選型試驗的試驗方法進行了低溫環(huán)境臺架試驗，具體試驗結(jié)果如表6所示。

從試驗結(jié)果上看，燃油加熱器的進出水溫差在5-6℃之間，比選型試驗降低了5 ℃，而發(fā)動機缸體表面溫度從前至后，溫度分布基本均勻，解決了選型試驗中出現(xiàn)的問題。

圖5　改進方案的照片及水路示意圖

圖6　改進方案并聯(lián)水路示意圖

4　結(jié)束語

在整車匹配燃油加熱器項目開發(fā)過程中，通過燃油加熱器選型試驗，根據(jù)冷卻液水溫度升溫效果、耗電量、拖動轉(zhuǎn)速等評價條件，選擇了D型燃油加熱器。并通過流體力學中的并聯(lián)管路水流量分配原理，CFD分析燃油加熱器和發(fā)動機連接水路，及不同水路結(jié)構(gòu)對燃油加熱器加熱效果的影響差異，優(yōu)化選型試驗的循環(huán)水路結(jié)構(gòu)?？偨Y(jié)出以下兩方面結(jié)論：

1）確立了燃油加熱器的評價方法，明確了評價燃油加熱器性能的技術(shù)參數(shù)；

2）通過CFD分析發(fā)動機水套各部分的壓降，以流體力學中的并聯(lián)管路水流量分配原理為依據(jù)，優(yōu)化燃油加熱器與發(fā)動機的水路聯(lián)接，使得燃油加熱器的作用發(fā)揮到最大。

表6　優(yōu)化后的開發(fā)驗證性試驗結(jié)果

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張艷輝（1965-），女，碩士，高級工程師，主要從事整車試驗方面的研究。

Research on the Matching Optimization Experiment for Support Measure of Cold Start of Diesel Engine

ZHANG Yan-hui, YU Xiang
(R&D Center of, China FAW Co.,Ltd., Changchun 130011)

Abstract：This paper mainly discusses the selection experiments for diesel heater with diesel engine start assistant statement. With the analysis and research for diesel heater's advantage and disadvantage evaluation specification, the diesel heater selection evaluation method is proposed. Finally, through the analysis of CFD sample, matching between diesel heater and engine water flow system is improved, and the actual effect is tested and verified.

Key words：cold-start; diesel heater; selection experiment; match improvement

作者簡介:

中圖分類號：U467.2+1

文獻標識碼：A

文章編號：1004-7204（2016）01-0047-06