獨立式車用加熱器的功能分析

毛華永，郭 彬，郝勝兵，王 偉

（1.山東大學能源與動力工程學院，濟南 250061；2.河北安吉宏業機械股份有限公司，河北 泊頭 062150）

獨立式車用加熱器自20世紀30年代于德國問世以來，以其不受發動機工況影響、加熱迅速、熱效率高、可全天候用于汽車車內取暖、車窗除霜和發動機低溫冷起動預熱等諸多優點而逐漸為行業所應用。目前，歐美已在客車、貨車、礦山機械等各類運輸車上廣泛應用。上世紀90年代初，已有世界知名企業的加熱器產品開始進入中國市場銷售。近些年來，我國的車用加熱器亦發展迅速。2010年國產各類加熱器約10萬臺，國內骨干客車企業約20%的客車配裝了加熱器，而安裝加熱器的大客車約占40%。其它像重型汽車、工程機械、發電機組等加熱器的安裝量也在不斷增加。

1 加熱器的功能分析

1.1 車內取暖與車窗除霜

對于冬季或寒冷地區，車內取暖和車前擋風玻璃除霜，是提高乘車舒適性與行駛安全性所必不可少的。利用發動機冷卻水或排氣余熱，是車內取暖與除霜的常見方法。此法的最大優點是節能，但其前提是發動機必須處于工作狀態，且受發動機的工況限制，供熱量有限。通常在起動暖機時是發動機熱量“自身難保”；行駛中，還要看發動機是否處于有多余熱量可供的較大負荷工況，否則中小負荷下強行供熱，不但供熱量不足，還會降低本來就未達到最佳工作點的水溫，從而增大油耗，加劇磨損，影響發動機使用壽命；當停駛熄火時，便無熱量可供；而利用駐車怠速運轉，不僅供熱有限，熱效率極低，不經濟，且長此以往會大大影響發動機的使用壽命。

獨立式車用加熱器，不受發動機工況影響，可在任何情況下提供充足的熱量，且供熱迅速、穩定，能確保乘車的舒適性和行駛安全。

1.2 發動機低溫冷起動預熱

目前發動機仍有采用電熱塞預熱的、通過消耗蓄電池的電能直接加熱發動機進氣的方法。此法簡單易行，但僅僅有助于點火起動，且一般只適合于小排量的發動機。而車用加熱器不僅可加熱進氣，還可加熱發動機的冷卻液和機體，甚至可加熱油底殼的潤滑油和蓄電池，從而使發動機處于良好的準熱機狀態。這既解決了發動機的冷起動問題，同時也大大減輕了發動機的冷機磨損、降低了油耗和冷起動排放。

1.2.1 減輕磨損

在發動機的使用周期中，氣缸之磨損50%發生在起動過程，而冬季起動磨損又占總起動磨損的60%～70%[1]。據文獻[2]報道，-5℃時冷車起動一次，其氣缸磨損量約相當于正常行駛180 km。這主要是因低溫時潤滑油粘度很大造成潤滑不良及低溫下油中所含硫的腐蝕作用所致。文獻[3]稱，油中所含硫越多，溫度越低，對氣缸壁的腐蝕越大。當冷卻水溫低于55℃、發動機在部分負荷下工作時，氣缸套與第一道活塞環的腐蝕磨損比正常運轉溫度下的腐蝕磨損增加2～2.5倍。而文獻[4]認為，發動機氣缸壁、活塞和活塞環、活塞銷與襯套、正時齒輪及氣門搖臂等部件的磨損量有1/3～1/2是冷起動造成的。

圖1是氣缸體與活塞環磨損量隨冷卻水溫而變的大致走向示意圖[5-6]。可以看出，水溫在80～90℃時，磨損量最小，隨著水溫的下降其磨損迅速增大。通過將液體式車用加熱器與發動機冷卻水路串聯，由加熱器對發動機冷卻水（以及潤滑油）循環加熱至設定溫度，即可大大減輕冷起動過程的磨損。

1.2.2 降低燃油耗

由圖 2可看出[7]，隨著溫度的降低，潤滑油的粘度急劇上升，這會導致摩擦損失大大增加。另外，在低溫情況下，由于缸內工質與缸壁的溫差加大，使得工質所散熱量增多，而用于作功的熱能減少。這些因素都會使發動機指示熱效率和機械效率大大下降。

有試驗表明，氣溫為-3℃時，不預熱發動機而直接起動；當水溫升至80℃時，需運轉15 min，耗油約1 L；但若用熱水預熱機體至40℃再起動，10 min后便升溫至80℃，耗油約0.6 L。以此簡單預熱即可使耗油降低40%，而時間卻縮短了33.3%。試驗還表明，水溫20℃時，起步行駛5 km，比水溫40℃時起步耗油增加15%～20%[1]。可見，對發動機進行預熱，其節油效果顯著。而運用獨立式車用加熱器來預熱發動機具有得天獨厚的優勢：一是加熱速度快，通常10 min左右即可將發動機水溫加熱至80℃（與所配用的加熱器熱功率有關）；二是節油，加熱器的熱效率一般在70%以上，是內燃機正常運行時最佳熱效率的1.5～2倍，比發動機低溫冷起動預熱時的熱效率更是大得多。

1.2.3 降低冷起動排放

內燃機中燃料的未燃燒及半燃燒狀態，主要出現在起動過程的初始期。在冷起動與暖機過程所產生的排放量占據工況法排放量的很大比重。因低溫冷起動時機體溫度很低，使得燃油噴霧和蒸發性很差，其中大部分燃油形成壁膜，只有少量蒸發[8]，從而導致空燃比不合適，燃燒不完全，使其常溫冷起動初始階段的HC和CO排放約占整個歐Ⅲ排放測試過程的60%～80%[9]。而在-7℃低溫冷起動初期所產生的HC和CO排放又比常溫冷起動增加幾倍，甚至十幾倍[9-10]。按照美國聯邦FTP-75測試75個循環的試驗方法，采用閉環電控燃油噴射加三元催化器的汽油車，80%的HC、CO排放是在冷起動過程最初幾分鐘內產生的[11]。而據文獻[9]的試驗數據，在低溫冷起動排放測試過程中，第1個ECE循環的HC排放占其總體排放的92.3%，CO排放占其總體排放的93.74%。可見，若能有效地降低低溫冷起動過程的排放，即可對降低機動車排放做出巨大的貢獻。

筆者在清華大學汽車安全與節能國家重點實驗室，對EQ491i多點進氣道電噴汽油發動機進行了有、無加熱器的低溫冷起動試驗。測試前，首先將發動機冷卻至-7℃，并恒溫6 h，然后按歐Ⅲ標準進行發動機排放測試。

試驗所用加熱器為YJH-Q5型液體燃油加熱器，其額定熱流量為5 kW。在做有加熱器的試驗時，先起動加熱器對發動機冷卻液循環加熱，當加熱器的水溫傳感器測得水溫達78℃（控制器設定溫度）后，加熱器停止工作，同時起動發動機并進入排放測試過程。

圖3為EQ491i發動機歐Ⅲ排放測試中，前兩個15工況循環，排氣管催化器前的HC累積排放對比曲線[12]。由圖3可見，配裝加熱器后，其HC累積排放下降了31.4%，降排效果顯著。這主要是因為通過加熱器對發動機預熱后，使機體溫度大大上升，從而改善了燃油的霧化和蒸發，削弱了縫隙效用（因熱脹）和淬冷效用。

從圖4可看出，由加熱器預熱后，各個工況下的NOx均大幅下降，而起動初期下降尤甚。這是機溫上升改善了混合氣的形成環境和混合氣質量，使空燃比趨于均勻，減少了局部富氧現象，更好地實現了均相燃燒，提高了燃燒品質。另外，機溫升高，ECU會減小點火提前角，這有助于降低最高燃燒壓力和溫度，從而降低NOx。其綜合的結果，在催化器前，使前兩個15工況循環的NOx累積排放降低59.5%之多（見圖5）。

CO是烴燃料在燃燒過程中生成的中間產物，其生成主要受混合氣濃度的影響。經加熱器預熱的發動機，其起動時的名義空燃比并無太大變化，即依然為濃混合氣，但機溫升高，可改善燃油蒸發的混合條件，使混合氣趨于均勻，所以CO有所下降。在催化器前，其前兩個15工況循環的CO累積排放下降2.8%左右（見圖6）。

盡管加熱器使發動機的排放降幅很大，然而加熱器自身亦存在排放問題。不過，因加熱器是穩定持續燃燒，故其燃燒比較好組織，所以燃燒比較完全。經對加熱器單獨測試，其累積排放量在與發動機起動初期的前兩個15工況循環對應時間內，加熱器的HC排放為EQ491i原機的3.1%，CO為其4.6%，而NOx僅為其1.8%。

2 其它功能分析

理論上，只要配上相應的熱交換器，加熱器幾乎可以對車上的任何部位（或部件）進行加熱，比如裝有潤滑油的發動機油底殼、燃油箱、蓄電池等。

若對發動機油底殼中的潤滑油進行加熱，可降低機油粘度，改善流動性，降低機油流阻和泵壓，能使潤滑油在起動的初期盡快流達各潤滑點，并迅速實現良好的潤滑作用。加熱燃油箱及油路，可改善燃油的流動性和霧化特性，有利于油、氣混合，提高燃燒質量，從而降低油耗和排放。加熱蓄電池，可恢復蓄電池的容量，改善發動機的起動性能。

圖7是免維護鉛酸蓄電池10 h放電率，其終止電壓為1.8 V時放電容量與溫度間的關系曲線[13]。由此可見，溫度越低，其放電容量也越低；在溫度低于10℃之后，溫度每下降1℃，蓄電池有效容量約下降1.4%，這與發動機冷起動時阻力矩增大，恰需更大電量的情況而相悖。但通過加熱器對蓄電池進行預熱，即可解決或緩解因低溫環境而使蓄電池容量下降的問題。

獨立式車用加熱器，可通過定時或遙控使其在駕車之前將發動機、車箱等擬預熱的各處提前加熱至欲求溫度，從而使駕、乘者上車即可處于一個溫度舒適的環境中，并可隨時起步行駛。而所具有的加熱速度快、熱效率高、不受發動機工況限制、可全天候供暖，且可用于低溫冷起動，并順帶降低冷起動磨損、油耗和排放，這是其它形式的預熱裝置所不能與之比擬的。

3 結束語

機動車尾氣已成為我國大中城市的主要空氣污染源，又因起動過程的排放占有很大比重，所以配裝獨立式車用加熱器很有必要。而在冬季1月份，我國最低平均氣溫在0℃以下的地區約占陸地總面積的80%，-25℃以下的低溫地區約有25%[14-15]。由此可知，無論就機動車的數量，還是需求地域，獨立式車用加熱器都具有廣闊的應用前景。一旦普及，定會給社會帶來巨大的經濟效益和社會效益。

[1]郭明.發動機技術狀態和工作溫度對耗油率和磨損速度的影響[J].農業機械，2007，（25）

[2] 李松和.氣缸的磨損探析[J].車用發動機，2000，（2）：37-38.

[3]薛炳信（摘譯）.發動機液體冷卻系統溫度狀況對功率和經濟性以及磨損的影響[J].內燃機，1987，（2）：35-36.

[4]蒙留記，盧小虎，賈中剛.潤滑油溫度對發動機的影響[J].潤滑與密封，2003，（1）：84-85.

[5]王志祥，邢宏波.談使用因素對汽車發動機磨損的影響[J].黑龍江交通科技，2005，（5）：61-62.

[6]盧廣鋒，郭新民，孫運柱，等.汽車冷卻系統水溫對發動機性能的影響[J].山東內燃機，2002，（1）：29-33.

[7]莫瑋，鄂加強，趙延明.嚴寒條件下車輛柴油機冷啟動性能研究[J].內燃機工程，2002，23（5）：65-67.

[8]汪淼，王建昕，沈義濤，等.汽油噴霧碰壁和油膜形成的可視化試驗與數值模擬[J].車用發動機，2006，（6）：24-27.

[9]李晶華，高俊華.汽油車低溫冷起動和常溫冷起動排放特性的對比分析[J].汽車技術，2007,（4）：25-28.

[10]肖建華，馬崴，王建昕，等.在發動機臺架上模擬歐Ⅲ低溫冷啟動排放特性的探索[J].汽車工程,2004，26（6）：639-641.

[11]Carter Robert N,Pfefferle William C,Menacherry Paul.Laboratory Evaluation of Ultra-Short Metal Monolith Catalyst[C].SAE Paper 980672.

[12]毛華永，李國祥，王偉，等.車用加熱器降低汽油機冷起動排放的試驗研究[J].車用發動機，2007，（6）：51-55.

[13]袁立軍，顧益森.論溫度對免維護鉛酸蓄電池的影響[J].船電技術，2001，（2）：38-39.

[14]仇桂玲.內燃機構造與原理[M].北京：電子工業出版社，2008.

[15]華智剛，趙福堂，韓占忠.內燃機低溫啟動技術與應用[J].內燃機，2000，（4）：33-35.