王朔，岳巍強(qiáng)，劉炳均，胡江濤

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高原高寒地域中重型車輛發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱 起動(dòng)輔助裝置研究

王朔1，岳巍強(qiáng)1，劉炳均1，胡江濤2

（1.軍事交通運(yùn)輸研究所，天津 300161；2.北京京威汽車設(shè)備有限公司，北京 100022）

提高中重型車輛裝備在高原高寒環(huán)境下的低溫起動(dòng)性能。研制一種適應(yīng)高原高寒地域低溫低氣壓環(huán)境的冷卻液加熱器，加熱器將燃油燃燒產(chǎn)生的熱量傳遞給冷卻液，通過(guò)冷卻液的循環(huán)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體進(jìn)行預(yù)熱。在低溫試驗(yàn)室內(nèi)－41 ℃常壓環(huán)境下，使用冷卻液加熱器預(yù)熱25 min后起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，一次起動(dòng)成功。在高原進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)，預(yù)熱時(shí)間在25 min內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)一次起動(dòng)成功。發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱可有效提高－30~－41 ℃溫度地域的發(fā)動(dòng)機(jī)低溫起動(dòng)性能。

高原高寒環(huán)境；發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱；燃油加熱器；低溫起動(dòng)

目前，高原高寒地域的車輛裝備除采用渦輪增壓技術(shù)來(lái)提高裝備的高原環(huán)境適應(yīng)性外[1]，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)低溫起動(dòng)問(wèn)題，主要采取的輔助措施從預(yù)熱方法上可分為進(jìn)氣預(yù)熱起動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱起動(dòng)[2]。進(jìn)氣預(yù)熱起動(dòng)通過(guò)進(jìn)氣預(yù)熱裝置加熱進(jìn)氣氣流，改善了可燃混合氣的燃燒狀態(tài)，在－30 ℃以上環(huán)境下低溫起動(dòng)效果明顯；在－30 ℃以下，尤其是目前最為嚴(yán)苛的－41℃使用環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)要求，僅靠進(jìn)氣預(yù)熱則難以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)順利起動(dòng)，需要采取發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱措施。

發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程是指曲軸在外力作用下從開始轉(zhuǎn)動(dòng)到發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)的全過(guò)程[3]。起動(dòng)的開始階段由起動(dòng)機(jī)帶動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，壓縮氣缸內(nèi)的空氣達(dá)到燃料的著火點(diǎn)，可燃混合氣體燃燒膨脹做功。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值時(shí)脫開起動(dòng)機(jī)，活塞向下運(yùn)動(dòng)使曲軸旋轉(zhuǎn)，工作循環(huán)才能自動(dòng)進(jìn)行。因此發(fā)動(dòng)機(jī)能否順利起動(dòng)主要取決于起動(dòng)轉(zhuǎn)速、壓縮終了壓力和溫度、混合氣濃度等因素。

低溫環(huán)境下，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體溫度低，機(jī)油黏度大，潤(rùn)滑條件差，形成潤(rùn)滑油膜緩慢，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦阻力矩升高。摩擦阻力矩是發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)阻力矩的主要組成部分，溫度越低，摩擦阻力矩在起動(dòng)阻力矩中占比越大。隨著環(huán)境溫度的下降，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)阻力因摩擦阻力矩升高而迅速上升，從而阻礙了發(fā)動(dòng)機(jī)的正常起動(dòng)。同時(shí)由于低溫環(huán)境下機(jī)油黏度增大，起動(dòng)轉(zhuǎn)速降低，導(dǎo)致壓縮空氣泄漏時(shí)間增長(zhǎng)，泄漏量明顯增加，使壓縮終了溫度和壓力下降。當(dāng)壓縮終了溫度和壓力下降到一定程度，氣缸內(nèi)可燃混合氣達(dá)不到最低著火臨界溫度，混合氣將不能著火，發(fā)動(dòng)機(jī)就無(wú)法起動(dòng)[4-7]。

通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱可使發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體、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(jī)油溫度也隨之升高，降低了起動(dòng)阻力，增加了起動(dòng)轉(zhuǎn)速，從而提高了壓縮終了時(shí)的溫度與壓力，改善可燃混合氣燃燒狀態(tài)。同時(shí)，機(jī)油黏度下降，潤(rùn)滑條件得到改善，減少了機(jī)件磨損。

冷卻液加熱器是目前常用的發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱裝置，加熱器將燃油燃燒產(chǎn)生的熱量傳遞給冷卻液，通過(guò)冷卻液的循環(huán)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體進(jìn)行預(yù)熱，不僅可有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)低溫起動(dòng)性能，而且還具有減少機(jī)件磨損、節(jié)約燃料、減少排氣污染等優(yōu)點(diǎn)。

1 冷卻液加熱器的研究現(xiàn)狀

冷卻液加熱器在國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家的應(yīng)用十分普及，在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，冷卻液加熱器己成為汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置。目前，世界各汽車工業(yè)技術(shù)比較先進(jìn)的國(guó)家，如德國(guó)、美國(guó)、日本和意大利等國(guó)的汽車加熱器研發(fā)和應(yīng)用己經(jīng)比較成熟。其中比較著名的有德國(guó)Webasto 和 Eberspacher公司，日本的三國(guó)等[8]。這些公司作為世界車用加熱器的領(lǐng)跑者，除已經(jīng)開發(fā)出一系列技術(shù)成熟的加熱器產(chǎn)品外，都建有專門的研究中心，在燃燒技術(shù)，加熱器控制及排放水平等方面具有很多成熟的經(jīng)驗(yàn)和成果。

國(guó)內(nèi)冷卻液加熱器設(shè)計(jì)與研究起步較晚，目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的車用冷卻液加熱器產(chǎn)品主要采用離心式和噴霧式，熱功率都比較大。如北京京威、河北南風(fēng)、河北宏業(yè)等企業(yè)生產(chǎn)的此類加熱器，主要應(yīng)用于貨車、軍用車輛及公交車等大型車輛。近年來(lái)，這些國(guó)內(nèi)加熱器企業(yè)也與山東大學(xué)、吉林大學(xué)、長(zhǎng)安大學(xué)等國(guó)內(nèi)高校廣泛開展合作，共同進(jìn)行冷卻液加熱器的開發(fā)與研究[9-10]。隨著汽車?yán)鋮s液加熱器相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品的引進(jìn)，國(guó)內(nèi)一些高校也陸續(xù)對(duì)冷卻液加熱器的功率匹配、點(diǎn)火性能、燃燒特性、換熱特性以及排放對(duì)環(huán)境的影響等進(jìn)行了深入的研究與分析[11-14]。

目前國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)的冷卻液加熱器大多是僅針對(duì)低溫條件設(shè)計(jì)的，在高海拔低氣壓條件下, 這種冷卻液加熱器自身點(diǎn)燃效果變差，導(dǎo)致發(fā)揮的作用也很受限。針對(duì)低溫低氣壓使用環(huán)境，由軍事交通學(xué)院和中國(guó)兵器裝備集團(tuán)公司394廠聯(lián)合研制生產(chǎn)的某型燃油加熱器，分別在高海拔低氣壓模擬試驗(yàn)臺(tái)和海拔2000 m、23 ℃的新疆拜城進(jìn)行了試驗(yàn)，取得了良好的試驗(yàn)效果[15]。

2 冷卻液加熱器的結(jié)構(gòu)與工作原理

冷卻液加熱器由燃燒頭總成、電磁油泵單元、燃燒系統(tǒng)、熱交換器和獨(dú)立循環(huán)水泵等5部分組成，其中燃燒頭總成主要包括主電機(jī)和助燃風(fēng)輪，主電機(jī)和助燃風(fēng)輪同軸安裝，負(fù)責(zé)提供助燃空氣。電磁油泵單元連接油箱與冷卻液燃油加熱器單元進(jìn)油管，提供加熱器所需燃料。燃燒部件組合主要包括點(diǎn)火塞、揮發(fā)網(wǎng)、燃燒室等，此部分保證助燃空氣和供應(yīng)的燃油良好配合并穩(wěn)定燃燒。獨(dú)立循環(huán)水泵強(qiáng)制水路中冷卻液的流動(dòng)。熱交換器總成將燃燒熱量傳遞給冷卻液。

圖1 冷卻液加熱器結(jié)構(gòu)

其工作原理是：工作時(shí)點(diǎn)火塞通電預(yù)熱，當(dāng)其達(dá)到額定溫度后電磁泵和電機(jī)通電工作，燃油被電磁油泵吸入并送到揮發(fā)網(wǎng)上，燃油立即揮發(fā)并與助燃風(fēng)輪送入的助燃空氣混合，油氣混合物在點(diǎn)火塞高溫作用下迅速在燃燒室中燃燒。隨著換熱器溫度的上升，火焰探測(cè)器動(dòng)作，控制電路切斷點(diǎn)火塞供電，加熱器正常燃燒。冷卻液加熱器水路與發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)連接形成循環(huán)通路，燃油燃燒產(chǎn)生的熱量通過(guò)熱交換器傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液，經(jīng)加熱的冷卻液由獨(dú)立循環(huán)水泵強(qiáng)制在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體的預(yù)熱[16]。工作原理見圖2。

圖2 冷卻液加熱器工作原理

3 新型冷卻液加熱器的設(shè)計(jì)研發(fā)

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了適應(yīng)高原高寒地域低溫低氣壓環(huán)境使用需要，對(duì)冷卻液加熱器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了必要的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1）提高加熱器低溫點(diǎn)火性能。采用先進(jìn)的高壓霧化揮發(fā)點(diǎn)火技術(shù)，相比傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)霧化技術(shù)，有效提高了點(diǎn)火性能。優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)氣結(jié)構(gòu)，將助燃風(fēng)輪葉片由直葉式改為斜葉式，保證了足夠的助燃風(fēng)量?？茖W(xué)設(shè)計(jì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在控制加熱器整體尺寸的同時(shí)，加長(zhǎng)燃燒室內(nèi)部空間，并增加二次揮發(fā)網(wǎng)以增強(qiáng)燃油的霧化效果，使燃油和空氣混合更為均勻。通過(guò)以上設(shè)計(jì)，有效提高了加熱器自身低溫點(diǎn)火性能和燃料燃燒效能。

2）提高加熱器傳熱效能。通過(guò)燃燒室內(nèi)部空間的加長(zhǎng)，增大了傳熱面積，同時(shí)對(duì)加熱器散熱片、導(dǎo)水環(huán)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，改變導(dǎo)水環(huán)的形狀與間隙，使其分割流體，強(qiáng)化傳熱，在提高了加熱效能的同時(shí)，有效控制了外形尺寸，熱交換器結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 熱交換器結(jié)構(gòu)

3）提高加熱器低氣壓環(huán)境工作性能。優(yōu)化設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻液加熱器工作過(guò)程的智能控制。冷卻液加熱器控制系統(tǒng)流程如圖4所示。同時(shí)在控制系統(tǒng)內(nèi)配置大氣壓力傳感器，根據(jù)氣壓自動(dòng)調(diào)節(jié)供油量，可滿足發(fā)動(dòng)機(jī)在高原低溫低氣壓條件下可靠工作的要求。

3.2 功率設(shè)計(jì)

以某中型和重型越野車為主要研究對(duì)象，考慮到加熱器的通用性及減少型號(hào)的需要，以重型越野車發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)進(jìn)行加熱器功率設(shè)計(jì)，兩型車發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)表

為了保證－41 ℃環(huán)境下發(fā)動(dòng)機(jī)在30 min內(nèi)能夠成功起動(dòng)，冷卻液加熱器需在25 min時(shí)間內(nèi)將發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體溫度由－41 ℃升至－20 ℃。

冷卻液加熱器產(chǎn)生的熱量主要由三部分受熱介質(zhì)吸收：發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體、冷卻液和潤(rùn)滑油。將潤(rùn)滑油視為同等量冷卻液以簡(jiǎn)化計(jì)算：

式中：1為計(jì)算系數(shù)；為發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量，kg；c為換熱系數(shù)，20W/m2·K；為發(fā)動(dòng)機(jī)總散熱面積，m2；1為加溫介質(zhì)的比熱，kJ/(kg·K)；為加溫介質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/m3；為加溫介質(zhì)的體積，m3；Δ為溫差，K；′為修正系數(shù)；1為發(fā)動(dòng)機(jī)缸體所需熱功率，kW；2為液體升溫所需熱量，kJ；為加熱器功率，kW；為加熱器加溫時(shí)間，min；

計(jì)算系數(shù)1取值見表2。重型車發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量為850 kg，外形尺寸為1542 mm×675 mm×965 mm，發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)化為規(guī)則長(zhǎng)方體計(jì)算散熱面積，散熱面積約為6.36 m2，代入式（3），得發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體所需熱功率1≈5.1 kW。

圖4 冷卻液加熱器控制系統(tǒng)流程

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體溫升計(jì)算系數(shù)表

加溫介質(zhì)比熱為3.2 kJ/(kg·K)，加溫介質(zhì)的體積為0.072 m3，由德國(guó)埃貝公司的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)：′取1.2，代入式（2），可得液體升溫所需熱量2≈6270 kJ。因此，在加熱時(shí)間=25 min內(nèi)，將發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體溫度由－41 ℃升至－20 ℃，所需的冷卻液加熱器功率=1+2/60=9.28 kW。

考慮一定的設(shè)計(jì)裕量，確定冷卻液加熱器功率為10 kW，可以滿足該重型越野車和中型越野車的低溫起動(dòng)需求。

3.3 外形尺寸

冷卻液燃油加熱器外形如圖5所示。根據(jù)兩型車底盤下部空余空間實(shí)際情況，設(shè)計(jì)冷卻液燃油加熱器尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為：435.5mm×210mm×180mm。

圖5 冷卻液加熱器外形

4 高原低溫起動(dòng)試驗(yàn)

4.1 低溫試驗(yàn)室內(nèi)試驗(yàn)

對(duì)兩型測(cè)試車輛更換低溫用燃油、潤(rùn)滑油和齒輪油，分別加裝研制的10 kW冷卻液加熱器。加熱器通過(guò)支架固定在車輛底盤下部，外接管路與發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)連接，形成循環(huán)通路，加熱器所需燃料直接從汽車油箱獲取。該加熱器安裝簡(jiǎn)便，不會(huì)對(duì)及車輛和發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及性能造成影響。安裝如圖6所示。

試驗(yàn)方案為：依據(jù)GJB 150.4A—2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法－低溫試驗(yàn)》相關(guān)要求，將低溫試驗(yàn)室內(nèi)環(huán)境溫度降至－41 ℃。在此環(huán)境下，對(duì)兩型車保溫8 h后進(jìn)行試驗(yàn)，首先啟動(dòng)冷卻液加熱器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行預(yù)熱（中型車輛預(yù)熱20 min，重型車輛預(yù)熱25 min），預(yù)熱結(jié)束后進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)測(cè)試。經(jīng)測(cè)試，兩型車輛發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)冷卻液加熱器預(yù)熱后，均一次起動(dòng)成功。

4.2 高原環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)

對(duì)兩臺(tái)測(cè)試車輛加裝研制的10 kW冷卻液加熱器，在青藏高原某地進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間為每天凌晨5:00—6:00氣溫最低時(shí)段（由于地域及季節(jié)所限，未找到－41℃環(huán)境）。試驗(yàn)方案為：測(cè)試車輛停放于野外測(cè)試場(chǎng)地至少24 h后進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)首先啟動(dòng)冷卻液加熱器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行預(yù)熱（中型車輛預(yù)熱20 min以內(nèi)，重型車輛預(yù)熱25 min以內(nèi)），預(yù)熱結(jié)束后進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)測(cè)試。測(cè)試完畢后，車輛繼續(xù)在測(cè)試場(chǎng)地保持靜置狀態(tài)24 h，再進(jìn)行下一輪測(cè)試。共進(jìn)行10輪測(cè)試，具體測(cè)試記錄見表3（其中發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間包括：從冷卻液加熱器點(diǎn)火開始直到發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)成功并運(yùn)轉(zhuǎn)正常經(jīng)歷的時(shí)間）。

圖6 冷卻液加熱器實(shí)車安裝

表3 高原環(huán)境實(shí)車試用記錄

5 結(jié)論

1）發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱可有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)低溫起動(dòng)性能。

2）研制的10 kW冷卻液加熱器，適用于重型越野車和中型越野車，可在－30~－41 ℃極端低溫環(huán)境下，預(yù)熱時(shí)間在25 min以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)車輛的順利起動(dòng)。

3）通過(guò)采用先進(jìn)的冷卻液加熱器點(diǎn)火技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)點(diǎn)火部件、進(jìn)氣結(jié)構(gòu)、燃燒室形狀和傳熱系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)，同時(shí)在控制系統(tǒng)內(nèi)配置大氣壓力傳感器，根據(jù)氣壓自動(dòng)調(diào)節(jié)供油量，可使發(fā)動(dòng)機(jī)在不同海拔條件下可靠工作。

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Engine Starting Auxiliary Device for Engine Preheating of Medium & Heavy Duty Vehicles in Plateau and Cold Area

WANG Shuo1,YUE Wei-qiang1, LIU Bing-jun1, HU Jiang-tao1

(1.Military Traffic Institute, Tianjin, 300161, China; 2.Beijing Jingwei Vehicle Equipment CO., LTD, Beijing 100022, China)

To improve the starting performance of medium duty vehicles & heavy duty vehicles in plateau and severe cold area.A type of fuel heater used in plateau and severe cold environment was designed. The heater diffused the heat from combustion of fuel to the coolant to increase the temperature of the engine.In test room, the engine was started successfully within 25 min at －41 ℃ by using the fuel heater. In plateau and severe cold area, the engine was started successfully within 25 min by using the fuel heater.The engine starting performance can be improved effectively by using the engine preheating equipment at －30~－41 ℃.

plateau and severe cold environment; engine preheating; fuel heater; low-temperature starting

10.7643/ issn.1672-9242.2017.10.010

TJ810.3；TK427

A

1672-9242(2017)10-0052-06

2017-08-07；

2017-08-15

王朔（1978—），男，內(nèi)蒙古人，碩士，主要研究方向?yàn)檠b備試驗(yàn)檢測(cè)。