李志磊

Li Zhilei

（武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

分層電加熱裝置對提高發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)能效的研究

李志磊

Li Zhilei

（武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

在中國高緯度地區(qū)，冬天溫度可達(dá)零下20 ℃，發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱暖機(jī)時(shí)間長。傳統(tǒng)的燃油加熱器燃油消耗量大、體積大，電加熱器具有零排放、無污染、空間占位小等優(yōu)點(diǎn)，但是受限于電池功率，電加熱裝置加熱時(shí)間較長，系統(tǒng)流道阻力較大。在電加熱裝置功率一定的前提下，通過設(shè)計(jì)分層加熱結(jié)構(gòu)和低流阻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合冷卻循環(huán)流量的控制，顯著降低發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)熱時(shí)間。針對特定發(fā)動(dòng)機(jī)的水冷循環(huán)結(jié)構(gòu)，研究不同進(jìn)出口溫度條件下，分層加熱時(shí)間隨流量變化的規(guī)律，建立分層電加熱裝置的傳熱模型；進(jìn)行加熱系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)水套的聯(lián)合工況的性能分析。電加熱裝置結(jié)構(gòu)緊湊，布置方便，可使發(fā)動(dòng)機(jī)的暖機(jī)時(shí)間縮短2～3 min，并可減少發(fā)動(dòng)機(jī)的冷啟動(dòng)排放。

電加熱；傳熱；建模；仿真

0 引 言

高緯度地區(qū)冬季比較寒冷，氣溫通常會(huì)比較低，停車場的位置較緊張，很多汽車就會(huì)停放在室外，而室外溫度通常在零下十幾攝氏度甚至零下幾十?dāng)z氏度。在這樣的低溫條件下，車輛的啟動(dòng)會(huì)很困難，同時(shí)低溫啟動(dòng)會(huì)對車輛的使用性能產(chǎn)生很大的負(fù)面影響，甚至影響使用壽命。駐車加熱器的出現(xiàn)，使汽車低溫冷啟動(dòng)的危害得到改善。隨著近年來人們對乘車舒適性的要求不斷提高，駐車加熱器的應(yīng)用變得越來越廣泛。

在低溫環(huán)境下，分層電加熱器通過設(shè)計(jì)分層結(jié)構(gòu)，可以將冷卻液一層層加熱，有效縮短了發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)時(shí)間，能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)迅速進(jìn)入正常工況，為人們的出行提供了很大的便利。

1 裝置描述

在北方寒冷的冬季，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，冷卻液溫度很低，經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸壁傳熱溫度升高的冷卻液流經(jīng)電加熱裝置后溫度繼續(xù)升高，被加熱的冷卻液流進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體，這樣使得循環(huán)流動(dòng)的冷卻液溫度升高較單獨(dú)靠發(fā)動(dòng)機(jī)自身傳熱升高得快。電加熱裝置在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中的布置［1］如圖 1所示，其布置于暖風(fēng)機(jī)進(jìn)水軟管管路上。

圖1 電加熱裝置布置圖

其工作原理：在寒冷季節(jié)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，打開暖機(jī)開關(guān)，冷卻液在水泵的作用下經(jīng)暖機(jī)進(jìn)水軟管流經(jīng)電加熱裝置后，經(jīng)出水軟管流進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)水套；由于冷卻液的循環(huán)速度快，所以這種預(yù)熱器的功率很大，使預(yù)熱速度顯著提高，預(yù)熱時(shí)間顯著縮短，熱損失和耗電量降低。

為了縮短加熱時(shí)間，將加熱裝置分為 3層，如圖2所示。第1層電熱絲功率最大，功率依次遞減，第3層功率最小。第1層的冷卻液最先加熱，先流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖2 電加熱裝置分層結(jié)構(gòu)

2 模型的建立

研究內(nèi)容涉及發(fā)動(dòng)機(jī)熱容模型、機(jī)體給冷卻液傳熱模型、冷卻液給機(jī)體反向傳熱模型以及機(jī)體壁面與空氣導(dǎo)熱模型。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)熱容模型

某車型的發(fā)動(dòng)機(jī)水套容積為V，防凍液溫度由環(huán)境溫度T1升高到發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)溫度T2時(shí)，按容積計(jì)算防凍液需求熱量為

式中，Qcoolant為防凍液需求熱量，kJ；Ccoolant為防凍液比熱，kJ/（kg·K）；ρ為防凍液密度，kg/m3；V為防凍液體積，L；ΔT1為防凍液溫差，K。

某車型選擇一定功率的電加熱裝置，考慮加熱器放熱量 60%被冷卻液吸收，則發(fā)動(dòng)機(jī)低溫啟動(dòng)所需時(shí)間為

即

式中，P為電加熱器額定放熱量，kW；t為電加熱時(shí)間，min。

同理，可以得到發(fā)動(dòng)機(jī)的熱容模型［1］

式中，QEngine為發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體容納的熱量，kJ；m為發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量，kg；ΔT2為機(jī)體溫差，K；CEngine為發(fā)動(dòng)機(jī)比熱，kJ/（kg·K），機(jī)體比熱與機(jī)體材料、機(jī)體質(zhì)量等因素有關(guān)。

發(fā)動(dòng)機(jī)屬于熱機(jī)，因此對發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)分析時(shí)，將發(fā)動(dòng)機(jī)作為熱流源來考慮。發(fā)動(dòng)機(jī)與冷卻液的熱交換特性可以用發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和對應(yīng)功率的函數(shù)來表示［2］

式中，H為發(fā)動(dòng)機(jī)殼體與發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部冷卻管路的熱交換量；nE為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；PE為對應(yīng)nE下的發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率。

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的熱容單元主要用來計(jì)算熱流體在通過定熱容單元時(shí)的溫度T和壓力P，其微分方程可表示為［2］

式中，dH為進(jìn)入該容積的熱量；cρ為流體的比熱，可以根據(jù)流體的工作壓力和溫度得到；ρ為流體的密度；dp/dt為壓力相對時(shí)間的微分；V為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻管路的容積。

進(jìn)入該容積的熱量dH可以細(xì)分為

式中，dmh1和dmh2為進(jìn)入到單元體內(nèi)的熱流量；dh為單元體與外界的熱交換量；dm1和 dm2為進(jìn)入單元體內(nèi)的質(zhì)量流量；h為冷卻液的熱量。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)模型的建立

研究的發(fā)動(dòng)機(jī)模型包含機(jī)體給冷卻液傳熱模型，冷卻液給機(jī)體傳熱模型和機(jī)體與空氣導(dǎo)熱模型3個(gè)。

2.2.1 機(jī)體給冷卻液傳熱模型

發(fā)動(dòng)機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)，冷卻液溫度很低，由于電加熱器剛工作，冷卻液溫升不如發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體給冷卻液的加熱，此時(shí)，機(jī)體給冷卻液傳熱。

一般來說，傳熱過程包括串聯(lián)著的3個(gè)環(huán)節(jié)：

1）從熱流體到壁面高溫側(cè)的熱量傳遞；

2）從壁面高溫側(cè)到壁面低溫側(cè)的熱量傳遞，即穿過固體壁的導(dǎo)熱；

3）從壁面低溫側(cè)到冷流體的熱量傳遞。

由于是穩(wěn)態(tài)過程，通過串聯(lián)著的每個(gè)環(huán)節(jié)的熱流量Ф應(yīng)該是相同的。設(shè)機(jī)體壁面表面積為A，熱流量表達(dá)式為

式中，A為機(jī)體壁面積，m2；T4為此時(shí)冷卻液溫度，K；T3為此時(shí)機(jī)體壁面溫度，K；k為傳熱系數(shù)，W/（m2·K），是表征傳熱過程強(qiáng)烈程度的標(biāo)尺，傳熱過程越強(qiáng)，傳熱系數(shù)越大，反之則越小。傳熱系數(shù)的大小不僅取決于參與傳熱過程的流體種類，還與過程本身有關(guān)，如流速的大小、有無相變等。

2.2.2 冷卻液給機(jī)體反向傳熱模型

發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速功率很低，電加熱器迅速給冷卻液加熱，冷卻液溫升快，此時(shí)，冷卻液反過來給機(jī)體傳熱。其傳熱過程與2.2.1分析過程相反，熱流量為

式中，A為機(jī)體壁面積，m2；T5為此時(shí)冷卻液溫度，K；T6為此時(shí)機(jī)體壁面溫度，K；k為傳熱系數(shù)，W/（m2·K）。

2.2.3 機(jī)體壁面與空氣導(dǎo)熱模型

發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體迅速升溫，此時(shí)，壁面對空氣傳熱。此過程中發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)產(chǎn)生熱量，而且冷卻液繼續(xù)給機(jī)體加熱，但此過程中機(jī)體將與外界傳熱，當(dāng)冷卻液與機(jī)體的溫度相等為T4時(shí)，該過程結(jié)束。在此過程中外界環(huán)境可以看作是一個(gè)恒溫系統(tǒng)。

由導(dǎo)熱基本定律［3］，熱流密度的表達(dá)式為

在穩(wěn)態(tài)過程中，垂直于 x軸的任一截面上導(dǎo)熱量都是相等的。將式（13）對x作從0到δ的積分，得

式（16）為當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)時(shí)一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的熱量計(jì)算式。

式（13）—式（16）中，λ為導(dǎo)熱系數(shù)；T為溫度，K；T1為機(jī)體溫度，K；T2為環(huán)境溫度，K；δ為機(jī)體壁平均厚度，m。

2.3 電加熱器—發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合模型

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)基本原理如圖 3所示。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)時(shí)，冷卻液的溫度較低，這時(shí)節(jié)溫器將冷卻液流向散熱器的通道關(guān)閉，使冷卻液經(jīng)水泵入口直接流入機(jī)體或者氣缸蓋水套，以便使冷卻液迅速升溫，這就是所謂的“小循環(huán)”；當(dāng)冷卻液溫度達(dá)到規(guī)定值后，石蠟開始融化逐漸變成液體，節(jié)溫器閥開啟，這時(shí)冷卻液經(jīng)由散熱器和節(jié)溫器閥，再經(jīng)過水泵流回發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)行“大循環(huán)”［4-5］。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)簡化結(jié)構(gòu)

基于AMEsim的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)模型如圖4所示。先建立簡單的冷卻系統(tǒng)模型，然后在此基礎(chǔ)上建立加熱裝置模型，加熱裝置模型布置在發(fā)動(dòng)機(jī)出水端。圖4中k為0，表示不給加熱裝置加熱，也就是未設(shè)置加熱裝置的冷卻系統(tǒng)。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)模型

圖5是基于AMEsim的電加熱器和發(fā)動(dòng)機(jī)的聯(lián)合模型，圖6是heater集成模型的內(nèi)容。由圖6可知，設(shè)置1個(gè)k為1 000，其余2個(gè)為0，表示分1層；2個(gè)k為1 000，1個(gè)k為0，表示分2層；3個(gè)k均為1 000，表示分3層。

圖5 電加熱器-發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合模型

圖6 加熱器子模型

3 仿真分析

對所搭建的仿真模型給定加熱器功率為1 000 W進(jìn)行仿真分析。

3.1 參數(shù)設(shè)置

仿真中對冷卻系統(tǒng)的工作過程做出如下假設(shè)［6-8］：

1）仿真時(shí)認(rèn)為，冷卻液在流動(dòng)時(shí)，冷卻系統(tǒng)中不同位置的散熱強(qiáng)度是均勻的，所以在冷卻液流動(dòng)過程中，系統(tǒng)中同一個(gè)管路中的各個(gè)地方的溫度都是一樣的，沒有溫差存在，也就是各部件的溫度是均勻的；

2）冷卻液在冷卻系統(tǒng)中的流動(dòng)方向只有一個(gè)；

3）系統(tǒng)中冷卻水泵的作用主要是提供冷卻液流動(dòng)動(dòng)力，本身的散熱作用非常小，因此在建模過程中沒有考慮冷卻水泵的散熱性。研究所采用的某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)［9］見表1，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)主要參數(shù)見表2。

表1 某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

表2 冷卻系統(tǒng)主要參數(shù)

3.2 仿真結(jié)果

仿真結(jié)果如圖7—圖9所示。圖中淺色實(shí)線代表的是未安裝加熱裝置時(shí)，冷卻液溫度從-20 ℃上升到90 ℃所需時(shí)間；深色實(shí)線代表的是安裝加熱裝置后，冷卻液溫度從-20 ℃上升到90 ℃所需時(shí)間。其中，圖7—圖9分別為加熱裝置分1—3層時(shí)，加熱時(shí)間的對比曲線。

圖7 加熱裝置分1層時(shí)，加熱時(shí)間對比曲線

圖8 加熱裝置分2層時(shí)，加熱時(shí)間對比曲線

圖9 加熱裝置分3層時(shí)，加熱時(shí)間對比曲線

4 結(jié) 論

研究首先對整個(gè)電加熱裝置進(jìn)行描述，然后建立發(fā)動(dòng)機(jī)的模型以及電加熱裝置和發(fā)動(dòng)機(jī)的聯(lián)合模型，最后進(jìn)行仿真分析，得到如下結(jié)論。

通過仿真結(jié)果可知，冷卻液溫度從-20℃升高到90 ℃，未安裝加熱裝置時(shí)，需要400 s；將加熱裝置分為1層時(shí)，需要330 s；分為2層時(shí)，需要280 s；分為3層時(shí)，需要250 s。

由此可知，在高緯度地區(qū)寒冷的冬季，裝備加熱裝置后，冷卻液達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需溫度的時(shí)間會(huì)有所縮短，當(dāng)加熱裝置被分為2層時(shí)，能縮短2 min；分為3層時(shí)，能縮短2.5 min。

研究對減少發(fā)動(dòng)機(jī)的排污量，延長發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命具有實(shí)際的意義。同時(shí)，也為后續(xù)研究發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)提供了一定的方法和資料。

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U464.142+3

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2016.05.002

1002-4581（2016）05-0003-05

2016-03-11