張永超 趙錄懷 徐微 楊彩梅

（1.西安交通大學(xué)城市學(xué)院，西安 710018；2.西安交通大學(xué)，西安 710049）

主題詞：柴油機(jī) 低溫冷起動(dòng) 碳纖維絲束 柴油加熱

1 前言

柴油機(jī)在低溫環(huán)境下通常難以起動(dòng)，而且當(dāng)氣溫發(fā)生劇烈變化時(shí)，正常運(yùn)行的柴油機(jī)還會(huì)出現(xiàn)突然熄火的現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅司乘人員的生命安全[1-4]。解決柴油機(jī)低溫難起動(dòng)的關(guān)鍵是通過對柴油加熱提高低溫流動(dòng)性。目前，加熱柴油的主要方法包括加裝PTC組件或加熱管、通過加熱冷卻液間接加熱柴油、利用電熱絲在柴油油管里直接加熱燃油[5-8]等，但這些方法均存在熱效率低、成本高、安全性差等問題。

碳纖維絲束（下稱絲束）是一種新型發(fā)熱材料，具有體積小、通電后升溫快、熱效率高、不易氧化燒斷、自限溫等特點(diǎn)[9-11]，利用其加熱柴油具有其它材料不可比擬的優(yōu)勢。為此，本文提出了在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)低壓油管內(nèi)加裝絲束，利用汽車蓄電池供電加熱柴油的方法，并通過實(shí)際裝車?yán)淦饎?dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證絲束在汽車中應(yīng)用的可行性。

2 碳纖維絲束加熱柴油可行性分析

利用車載蓄電池給絲束供電加熱柴油，當(dāng)柴油溫升Δt1時(shí)，應(yīng)滿足以下兩點(diǎn)：

a.加熱時(shí)間T≤10min，因?yàn)椴裼蛙嚨膶?shí)際冷起動(dòng)預(yù)熱時(shí)間一般小于10min；

b.車載蓄電池的容量應(yīng)滿足加熱所需電能。

2.1 加熱時(shí)間分析

根據(jù)能量守恒定律，絲束通電總功率（U2/R）轉(zhuǎn)化的熱能Q等于柴油吸收的熱能Q1加輸油管表面與空氣之間對流散失的熱能Q2，絲束電熱轉(zhuǎn)換效率為98%以上[12]，則加熱時(shí)間T計(jì)算式為：

式中，U為絲束的供電電壓，交流220 V；R為絲束電阻；C為柴油比熱；m為柴油質(zhì)量；α為輸油管表面與空氣之間的對流換熱系數(shù)；A為輸油管的表面積；Δt2為輸油管表面與外界空氣溫差；T為加熱時(shí)間。

為計(jì)算T，首先要確定式（1）中各參數(shù)的值。不同車型參數(shù)值不同，本文以東風(fēng)天錦車EQH140-40為例計(jì)算各參數(shù)值。

a.計(jì)算參數(shù)m、A值。大部分柴油車油箱到高壓油管分為3段，即油箱至燃油濾清器段、燃油濾清器至低壓油泵段、低壓油泵至高壓油泵段，前兩段長度各為1.5～3m，最后一段為0.1～0.3m，因最后一段較短，所以只需對前兩段油管中的柴油進(jìn)行加熱即可滿足要求。東風(fēng)天錦車油箱到高壓油管的前兩段總長度為3m，最后一段長度為0.2m，其低壓輸油管內(nèi)徑為1.2 cm，外徑為1.5 cm。經(jīng)計(jì)算，該車前兩段輸油管的表面積A=0.141 m2，油管內(nèi)柴油的體積V=0.339 L，質(zhì)量m=0.282 kg。

b.確定參數(shù)Δt1值。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 19147—2016《車用柴油》中表A.1和表1～表3可知，絕大部分地區(qū)最低氣溫在-35℃以上，0#柴油冷凝點(diǎn)是4℃，因此要實(shí)現(xiàn)在最低溫度時(shí)也可使用0#柴油，必須將最低氣溫時(shí)的0#柴油加熱到4℃以上，所以設(shè)定絲束加熱柴油溫升△t1=40℃。

根據(jù)東風(fēng)天錦車加熱油管長度、油管內(nèi)柴油的質(zhì)量m、溫升△t1、輸油管內(nèi)徑、加熱功率等因素，初步選取規(guī)格為3K和6K的鐵氟龍（碳纖維絲束的包皮）碳纖維絲束（下稱3K絲束和6K絲束）進(jìn)行試驗(yàn)，其參數(shù)見表1，其總功率按U2/R計(jì)算。

表1 碳纖維絲束參數(shù)

柴油溫升△t1=40℃時(shí)Q1=Cm△t1=19.2 kJ，輸油管表面與外界空氣的溫差變化范圍為0～40℃，取中間值△t2=20℃，油管的對流換熱系數(shù)為5W/m2·℃[13]，假定柴油加熱時(shí)間T=10min，則Q2=αA△t2T=8.46 kJ，Q=Q1+Q2=27.66 kJ，以上計(jì)算未考慮柴油由凝結(jié)態(tài)向流動(dòng)態(tài)變化所吸收的熱量。

c.確定加熱時(shí)間。由表1可知，3K絲束和6K絲束總功率分別為91W和122W，根據(jù)式（1）則加熱時(shí)間為：

由計(jì)算結(jié)果可知，加熱柴油所需時(shí)間T3K、T6K均小于10min，即利用3K絲束和6K絲束加熱柴油可滿足加熱時(shí)間要求。

2.2 汽車蓄電池供電分析

東風(fēng)天錦車兩個(gè)前大燈的總功率為150W，3K絲來和6K絲束總功率分別為91W和122W，絲束通電10min所用電量小于該車兩個(gè)前大燈通電10min所用電量。因此，汽車蓄電池的容量完全可以滿足絲束加熱柴油所需電能。

3 溫度控制與報(bào)警

為了將絲束加熱柴油的溫度控制在合理范圍內(nèi)，以及當(dāng)柴油溫度過高時(shí)報(bào)警，設(shè)計(jì)了溫度控制與報(bào)警裝置（下稱裝置），裝置組成如圖1所示。其工作原理為：當(dāng)環(huán)境溫度低于10℃時(shí)（0#柴油冷凝點(diǎn)是4℃），駕駛員給控制器發(fā)出指令，控制器控制繼電器給絲束通電加熱柴油，傳感器測量油溫。因0#柴油最低閃點(diǎn)為45℃，為了安全，控制器控制油溫在30～40℃之間，絲束有自限溫特性（最高溫度小于80℃），正常情況下油溫不可能超過80℃，否則報(bào)警模塊提示有故障。

圖1 溫度控制與報(bào)警裝置組成

裝置選用K型熱電偶，控制器采用最高工作頻率為275MHz的EP1C6Q240C8 cyclone系列FPGA芯片。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證絲束加熱柴油的安全性和測試其加熱柴油的溫升規(guī)律，分別進(jìn)行絲束在空氣中和柴油中通電兩組試驗(yàn)。

安全性試驗(yàn)是在空氣中給3K絲束通電，利用福祿克F62MAX紅外測溫儀(測溫范圍為-30～500℃)測量3K絲束的表面溫度，絲束能達(dá)到的最高溫度應(yīng)小于柴油的沸點(diǎn)[14]。試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)3K絲束通電后，每間隔0.5min計(jì)錄1次溫度計(jì)數(shù)據(jù)，通電10min后斷電，絲束至少斷電1 h完全冷卻后進(jìn)行下一次試驗(yàn)，共重復(fù)進(jìn)行10次試驗(yàn)，得到10組200個(gè)數(shù)據(jù)，對每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)求平均值得到3K絲束試驗(yàn)結(jié)果，6K絲束與3K絲束試驗(yàn)方法相同。3K絲束和6K絲束表面溫度隨通電時(shí)間擬合曲線如圖2所示，3K絲束和6K絲束的最高溫度分別為75.0℃和73.2℃，遠(yuǎn)低于柴油的沸點(diǎn)，表明用3K絲束和6K絲束加熱柴油是安全的。

圖2 3K絲束和6K絲束在空氣中通電表面溫度隨通電時(shí)間變化曲線

圖3為利用絲束加熱柴油的溫升規(guī)律測試試驗(yàn)裝置，如圖3所示，該試驗(yàn)利用冰柜模擬低溫環(huán)境，試驗(yàn)時(shí)將絲束完全浸入裝有0.5 L 0#柴油的玻璃瓶并放入冰柜中。試驗(yàn)過程中利用海寶HB6801溫度計(jì)（測溫范圍為-50～1 300℃）測量油溫，同時(shí)利用裝置測量加熱10min后的油溫。

圖3 試驗(yàn)裝置示意

試驗(yàn)開始時(shí)，將冰柜溫度調(diào)至-18℃，當(dāng)其內(nèi)部溫度顯示為-18℃后保持0.5 h，然后在冰柜內(nèi)給絲束通電加熱柴油，每0.5min計(jì)錄1次溫度計(jì)數(shù)據(jù)和溫度控制與報(bào)警裝置的數(shù)據(jù)，通電10 min后斷電，得到第1組數(shù)據(jù)。當(dāng)冰柜內(nèi)部溫度再次達(dá)到-18℃時(shí)保持0.5 h后再次進(jìn)行試驗(yàn)，共重復(fù)試驗(yàn)10次，得到10組200個(gè)數(shù)據(jù)，對每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的溫度計(jì)測量數(shù)據(jù)求平均值得到3K絲束試驗(yàn)結(jié)果，6K絲束與3K絲束試驗(yàn)方法相同。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，溫度隨時(shí)間關(guān)系擬合曲線如圖4所示。由表2可知，兩種規(guī)格的絲束均能在10min內(nèi)使凝結(jié)態(tài)的柴油升溫40℃達(dá)到流動(dòng)態(tài)，表明符合要求，且6K絲束比3K絲束的溫升更快。裝置測量的加熱10min后的油溫?cái)?shù)據(jù)平均值與溫度計(jì)測量數(shù)據(jù)之間的最大誤差為0.6℃，表明該裝置能在低溫下正常使用，且誤差在合理范圍內(nèi)。

表2 3K絲束和6K絲束加熱柴油試驗(yàn)結(jié)果

圖4 3K絲束和6K絲束在柴油中通電柴油溫度隨通電時(shí)間變化曲線

由表2可知，絲束加熱柴油升溫40℃所用時(shí)間大于可行性分析時(shí)的T3K、T6K，這主要因?yàn)椋阂皇羌訜岬牟裼唾|(zhì)量不同，可行性分析所用柴油質(zhì)量為0.282 kg（0.339 L），實(shí)驗(yàn)室測試時(shí)采用了0.5 L柴油；二是熱能散失不同，可行性分析是輸油管表面與空氣之間的對流換熱，而實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)時(shí)采用的是玻璃瓶，熱損失較大；三是可行性分析未考慮柴油由凝結(jié)態(tài)向流動(dòng)態(tài)變化所吸收的熱量。

5 實(shí)際裝車試驗(yàn)

為驗(yàn)證絲束加熱柴油能否確保柴油機(jī)在低溫環(huán)境下冷起動(dòng)成功且運(yùn)行平穩(wěn)，進(jìn)行了實(shí)際裝車試驗(yàn)。因?yàn)?K絲束溫升比3K絲束更快，因此選用6K絲束進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)將6K絲束安裝在東風(fēng)天錦車柴油油箱內(nèi)的進(jìn)油油管口附近、低壓油管內(nèi)、纏繞在燃油濾清器外，傳感器安裝在絲束末端的輸油管道內(nèi)，溫度控制與報(bào)警裝置的控制器、顯示器、報(bào)警器和鍵盤等部分放在駕駛室內(nèi)。試驗(yàn)步驟如下：

a.在低溫環(huán)境下東風(fēng)天錦車至少熄火2 h，使發(fā)動(dòng)機(jī)及0#柴油充分冷卻；

b.利用溫度計(jì)測量環(huán)境溫度和柴油的起始油溫；

c.絲束通電加熱柴油，加熱10min時(shí)記錄裝置顯示的預(yù)熱后油溫；

d.點(diǎn)火起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，保持發(fā)動(dòng)機(jī)至少運(yùn)轉(zhuǎn)60min，記錄發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行情況。

試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由表3可知，預(yù)熱柴油10min后（第1～11號試驗(yàn)結(jié)果），0#柴油在最低油溫-19.6℃高度凝結(jié)的情況下發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火冷起動(dòng)成功，且平穩(wěn)運(yùn)行1 h以上；而絲束未預(yù)熱柴油（第12、13號試驗(yàn)結(jié)果）時(shí)，0#柴油在最低油溫-14.3℃下發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火冷起動(dòng)成功，但10min內(nèi)柴油機(jī)突然熄火，再次點(diǎn)火起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)失敗，多次點(diǎn)火仍然失敗。這是因?yàn)椋?次點(diǎn)火時(shí)高壓油管內(nèi)少量柴油未凝結(jié)，這時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火成功，但油箱和低壓油管內(nèi)的柴油已凝結(jié),發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后在供油過程中凝結(jié)的柴油在燃油濾清器內(nèi)聚集,最后堵塞、斷流而熄火[4]，當(dāng)再次起動(dòng)時(shí)油路堵塞仍然不能起動(dòng)成功。

表3 東風(fēng)天錦車低溫（0#柴油）冷起動(dòng)及運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)際裝車試驗(yàn)充分說明絲束加熱柴油可確保柴油機(jī)在低溫環(huán)境下冷起動(dòng)成功，且運(yùn)行平穩(wěn)。

6 結(jié)束語

針對柴油在低溫下流動(dòng)性變差導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)難起動(dòng)或運(yùn)行不平穩(wěn)的問題，提出了在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)低壓進(jìn)油油管內(nèi)加裝碳纖維絲束，利用汽車蓄電池供電加熱柴油提高流動(dòng)性，同時(shí)設(shè)計(jì)了控制柴油溫度與故障報(bào)警裝置。該方案對原車改動(dòng)少、熱效率高、安全性好、通電后升溫快。低溫環(huán)境下在東風(fēng)天錦車實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果表明，碳纖維絲束加熱柴油對確保柴油機(jī)在低溫環(huán)境下冷起動(dòng)成功且平穩(wěn)運(yùn)行非常關(guān)鍵，該研究對碳纖維絲束用于汽車領(lǐng)域具有一定的參考價(jià)值。