保溫式發(fā)動機(jī)預(yù)熱系統(tǒng)實驗研究

余鳳博，何永明，鄧紅星，剛續(xù)航

(東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，哈爾濱150040)

中國北方冬季寒冷，常常滴水成冰，哈爾濱最低氣溫曾達(dá)-52．3℃。低溫時，車輛電瓶會出現(xiàn)供電不足，火花塞放電火能力弱，同時冬季燃油不易霧化點燃，部分車輛會出現(xiàn)啟動困難或無法啟動的現(xiàn)象［1］。而且，冷啟動耗時耗油，污染嚴(yán)重，冷啟動一次機(jī)件的磨損量相當(dāng)于正常行駛300 km［2］。研究表明，在低溫狀態(tài)下，發(fā)動機(jī)啟動功率的大約60%是消耗在克服活塞、連桿、曲軸等零件摩擦的運動阻力上的［3］。此外，低溫時燃燒室內(nèi)容易形成積炭，造成活塞環(huán)膠結(jié)等現(xiàn)象，壓縮力不足，發(fā)動機(jī)功率下降。因此，研究如何快速提高發(fā)動機(jī)啟動時的溫度有著重要意義。

1 研究的現(xiàn)狀和趨勢

1．1 研究的現(xiàn)狀

國內(nèi)外發(fā)動機(jī)預(yù)熱器主要分為以下幾類。

(1)“水”熱預(yù)熱器。該類預(yù)熱器用電加熱法將冷卻液加熱，從而使發(fā)動機(jī)整體預(yù)熱。該類預(yù)熱器接通220V電源20 min內(nèi)能將機(jī)體內(nèi)防凍液提高40℃左右，能做到啟動自如，其突出優(yōu)點為體積小，即占用空間很小，安裝非常簡便，可直接串聯(lián)在暖風(fēng)循環(huán)管或小循環(huán)管上，幾乎所有汽車都不需改動原車管路［4］。預(yù)熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)也采用低水流阻力設(shè)計，對原車暖風(fēng)系統(tǒng)幾乎無影響［5］。“水”熱預(yù)熱器如圖1所示。

圖1 “水”熱預(yù)熱器Fig．1 Water heated preheater

(2)“油”熱預(yù)熱器。該類預(yù)熱器對供油進(jìn)行預(yù)熱，使用汽車自身電瓶迅速加熱燃油油路內(nèi)供油。

結(jié)構(gòu)包括進(jìn)油管和與其連通的濾清器及預(yù)熱塞。特征是:在濾清器和預(yù)熱塞之間的管路上連接有控制預(yù)熱塞供油的電磁閥，電磁閥兩端分別通過油管與濾清器和預(yù)熱塞連接。其優(yōu)點是:需要預(yù)熱塞工作時，接通電磁閥線路，使其閥門打開，柴油經(jīng)濾清器通過電磁閥，再經(jīng)進(jìn)油管供給預(yù)熱塞;預(yù)熱塞不工作時，斷開電磁閥線路，閥門關(guān)閉，通往預(yù)熱塞的油路被斷開，由電磁閥承擔(dān)通往預(yù)熱塞的油壓，大大降低了由于球閥密封不嚴(yán)出現(xiàn)漏油的故障［6］。“油”熱預(yù)熱器如圖2所示。

圖2 “油”熱預(yù)熱器Fig．2 Oil heated preheater

(3)“氣”熱預(yù)熱器。“氣”熱預(yù)熱器對發(fā)動機(jī)進(jìn)氣進(jìn)行預(yù)熱。此類發(fā)動機(jī)進(jìn)氣預(yù)熱器安裝在汽車發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣歧管上，進(jìn)氣預(yù)熱器包括電熱帶和安裝電熱帶的預(yù)熱器座，電熱帶置于預(yù)熱器座的框體內(nèi)并固定在位于預(yù)熱器座邊框內(nèi)的瓷墊組件上，預(yù)熱器座邊框上設(shè)有連接電熱帶兩接線端的電源正極接線端子和電源負(fù)極接線端子。空氣由進(jìn)氣歧管進(jìn)入汽缸，當(dāng)啟動預(yù)熱器時，加熱元件發(fā)熱，使空氣受熱進(jìn)入汽缸內(nèi)，進(jìn)入發(fā)動機(jī)缸體的氣體和燃料混合物被充分預(yù)熱［7］。 “氣”熱預(yù)熱器如圖3所示。

圖3 “氣”熱預(yù)熱器Fig．3 Air heated preheater

1．2 研究的趨勢

以上幾類發(fā)動機(jī)預(yù)熱器均采用電能轉(zhuǎn)化成熱能從而達(dá)到預(yù)熱目的。其中大部分預(yù)熱器(主要為“水”熱式)采用外接220V電源加熱方式［8］，該類預(yù)熱器消耗電能外，操作過程繁瑣，且要靠近電源。另有小部分采用車載蓄電池加熱，目前汽車廣泛采用的鉛酸蓄電池，冬季低溫時蓄電池容量變小，充放電效率低下，因此采用蓄電池加熱效率低能耗大［9］。

鑒于以上分析，目前發(fā)動機(jī)預(yù)熱器發(fā)展趨勢主要有以下幾點:

(1)提高熱轉(zhuǎn)化效率。目前廣泛采用的“水”熱式預(yù)熱器大多采用電熱絲發(fā)熱，發(fā)熱效率低。已有部分研究采用電磁感應(yīng)加熱原理，通過電磁感應(yīng)線圈產(chǎn)生的高頻交變磁場在發(fā)熱體的表面形成渦流，這些渦流克服發(fā)熱體的電阻做功，散發(fā)出熱量，從而達(dá)到直接加熱的目的［10］。

(2)減少熱損失。發(fā)動機(jī)停機(jī)前冷卻系統(tǒng)處于高溫狀態(tài)，儲存了大量的熱量，如何利用這些熱量為發(fā)動機(jī)下一次啟動預(yù)熱是發(fā)動機(jī)預(yù)熱系統(tǒng)發(fā)展的又一趨勢［11］。保溫式發(fā)動機(jī)預(yù)熱系統(tǒng)利用保溫灌儲存發(fā)動機(jī)高溫時的能量，并提供給發(fā)動機(jī)低溫時使用。保溫式發(fā)動機(jī)預(yù)熱系統(tǒng)的主要優(yōu)點是:①無需外接電源，不受電源限制;②耗能少，只需蓄電池供電將冷熱水循環(huán)即可，能耗幾乎可忽略不計。

2 結(jié)構(gòu)原理

2．1 結(jié)構(gòu)組成

保溫式汽車發(fā)動機(jī)預(yù)熱系統(tǒng)屬于“水”熱預(yù)熱系統(tǒng)，安裝方法和傳統(tǒng)預(yù)熱系統(tǒng)基本相同，即將預(yù)熱系統(tǒng)安裝在汽車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)上，串聯(lián)在小循環(huán)系統(tǒng)中。

保溫式汽車發(fā)動機(jī)預(yù)熱系統(tǒng)主要由保溫壺、水泵、閥門及管路等組成。保溫式汽車發(fā)動機(jī)預(yù)熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 保溫式汽車發(fā)動機(jī)預(yù)熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig．4 The structure of insulation type engine preheating system

保溫式汽車發(fā)動機(jī)預(yù)熱系統(tǒng)主管通過入口連接螺母和出口連接螺母連接到汽車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)上，串聯(lián)在小循環(huán)系統(tǒng)中。進(jìn)液管和出液管插入密封蓋，進(jìn)液管插入壺底，出液管插入密封蓋并固定，這樣可以保證最大限度的在冷熱冷卻液之間進(jìn)行交換。密封蓋與保溫壺口通過螺紋緊密連接。

2．2 工作原理

在汽車發(fā)動機(jī)工作10 min后，冷卻液溫度即可達(dá)到90℃，20 min后冷卻液溫度將持續(xù)穩(wěn)定在95℃左右［12］。發(fā)動機(jī)停止工作后，冷卻液溫度將在4個小時內(nèi)降低至環(huán)境溫度。大部分車輛在傍晚停車時發(fā)動機(jī)冷卻液溫度在95℃左右，夜間大量的熱量被浪費掉，早上又要花費燃油和時間對發(fā)動機(jī)預(yù)熱，造成能量再次浪費。因此，保溫式發(fā)動機(jī)預(yù)熱系統(tǒng)采用串聯(lián)保溫壺的方式儲存熱量，供汽車發(fā)動機(jī)低溫啟動時提高發(fā)動機(jī)氣缸壁溫度。

當(dāng)發(fā)動機(jī)溫度較低，啟動困難或無法啟動時，啟動預(yù)熱系統(tǒng)加熱，主管閥門關(guān)閉，支管閥門打開，水泵工作，發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)中較低溫度冷卻液通過主管、支管閥門、進(jìn)液管進(jìn)入保溫壺，保溫壺中較高溫度的冷卻液通過出液管、水泵進(jìn)入主管，從而完成一次交換，較高溫度的冷卻液使發(fā)動機(jī)缸體迅速升溫，從而起到預(yù)熱的作用。

保溫式汽車發(fā)動機(jī)預(yù)熱系統(tǒng)的主要優(yōu)點是無需外接電源，不受電源限制;耗能少，只需蓄電池供電將冷熱水循環(huán)即可，能耗幾乎可忽略不計。保溫式汽車發(fā)動機(jī)預(yù)熱系統(tǒng)和電熱式預(yù)熱系統(tǒng)相比，節(jié)能可以達(dá)到95%以上，并且即使環(huán)境溫度低至-30℃，也能達(dá)到發(fā)動機(jī)正常啟動的溫度，同時在預(yù)熱時間上比電加熱的要快很多。

2．3 技術(shù)方案

(1)儲熱過程。汽車發(fā)動機(jī)停止工作時冷卻液溫度最高，一般為95℃左右，此時啟動預(yù)熱系統(tǒng)儲熱開關(guān)，水泵工作，發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)中高溫冷卻液與保溫灌中較低溫度的冷卻液完成一次交換，即儲熱過程。

(2)預(yù)熱過程。汽車發(fā)動機(jī)正常工作時，保溫式發(fā)動機(jī)預(yù)熱系統(tǒng)并不工作，也不影響發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)正常工作。

當(dāng)發(fā)動機(jī)溫度較低，啟動困難或無法啟動時，啟動預(yù)熱系統(tǒng)，發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)中較低溫度的冷卻液與保溫灌中溫度較高的冷卻液完成一次交換，較高溫度的冷卻液使發(fā)動機(jī)缸體迅速升溫，從而起到預(yù)熱的作用。

3 模擬實驗分析

3．1 模擬實驗內(nèi)容

模擬實驗內(nèi)容包括三分部分，分別是保溫罐中冷卻液降溫實驗，發(fā)動機(jī)冷卻液自然冷卻實驗，以及冷卻液交換實驗。

(1)保溫壺降溫實驗。用家用雙層玻璃真空暖壺模擬保溫式汽車發(fā)動機(jī)預(yù)熱系統(tǒng)的保溫罐，將保溫壺蓋打孔，用液晶顯示探針溫度計測量保溫壺內(nèi)冷卻液溫度，同時記錄環(huán)境溫度。測量數(shù)據(jù)繪圖如圖5所示。

從圖5可以看出，24 h內(nèi)冷卻液降溫明顯，到第24 h，溫度降到60℃，累計降溫達(dá)到30℃，此后，每24 h降溫約10℃左右，到第72 h，保溫壺溫度降至40℃。

(2)發(fā)動機(jī)冷卻液自然降溫實驗。實驗采用金屬水壺模擬發(fā)動機(jī)氣缸水套，注入90℃左右冷卻液，連續(xù)記錄金屬水壺溫度，根據(jù)溫度繪圖見圖5。

從圖5可以看出，金屬水壺中冷卻液4 h內(nèi)降到10℃，降溫達(dá)到80℃，到第16 h時已經(jīng)和環(huán)境溫度完全相同。

圖5 降溫曲線圖Fig．5 The cooling curve

(3)冷卻液交換實驗。保溫式發(fā)動機(jī)預(yù)熱系統(tǒng)儲熱和預(yù)熱過程都需要進(jìn)行一次冷卻液交換，即發(fā)動機(jī)氣缸水套和保溫壺中的冷卻液交換。為了盡可能提高冷卻液交換的比例，保溫壺內(nèi)進(jìn)液管口和出液管口應(yīng)盡量遠(yuǎn)離，如圖4所示。盡管如此，每次交換也不能實現(xiàn)100%的冷卻液交換。實驗三次模擬預(yù)熱過程，數(shù)據(jù)見表1。

表1 模擬預(yù)熱過程實驗數(shù)據(jù)Tab．1 Experimental data of preheater simulation

3．2 預(yù)熱系統(tǒng)模型建立

根據(jù)能量守恒定律，熱交換前的熱量Q前等于交換后的熱量Q后，即:

式中:c冷為冷卻液的比熱，取水的比熱4．2 kJ/(kg·K);m保為保溫壺中冷卻液的質(zhì)量，kg;c套為水套的比熱，取鐵的比熱0．46 kJ/(kg·K);m冷為發(fā)動機(jī)氣缸水套中冷卻液的質(zhì)量，kg;m套為水套質(zhì)量，kg。

其它參數(shù)見實驗三冷卻液交換預(yù)熱實驗數(shù)據(jù)記錄表。

假設(shè)m保=m冷=m套，代入公式(1)，得:

將 c冷=4．2，c套=0．46 代入公式(2)得:

4．2(t1+t2)+0．46t2=(4．2+4．2+0．46)t3。

公式(3)即保溫式發(fā)動機(jī)預(yù)熱系統(tǒng)預(yù)熱模型，假設(shè)發(fā)動機(jī)停車10 min后啟動，此時預(yù)熱系統(tǒng)保溫壺溫度t1約為80℃，當(dāng)環(huán)境溫度t2為-20℃時，計算得到預(yù)熱后發(fā)動機(jī)氣缸溫度t3為27℃，相當(dāng)于夏天的環(huán)境溫度，因此發(fā)動機(jī)啟動和工作不受任何影響，可見保溫式預(yù)熱系統(tǒng)工作效果顯著。

3．3 預(yù)熱效益分析

(1)節(jié)約時間的效益。以哈爾濱市為例，2014年全市汽車擁有量為110萬臺，設(shè)每車每天啟動2次，在12月份至3月份機(jī)動車?yán)鋯悠骄看魏臅r5 min。而采用保溫式發(fā)動機(jī)預(yù)熱系統(tǒng)僅需要1 min左右，則可節(jié)約的時間為446萬h。

2014年哈爾濱市人均工資水平為4 495元/月，每月平均上班時間為22 d，每天平均工作8h，故每小時平均工資為25．53元，則節(jié)約時間的效益為1．14 億元。

(2)節(jié)約能源的效益。2014年全市汽車擁有量為110萬臺，按照以上假設(shè)，每年預(yù)熱時間為557．5萬h。實驗表明汽車怠速預(yù)熱平均油耗為2．1 L/h，則需耗油1 170．8萬 L。若每升汽油6元，則可計算得到節(jié)約能源的效益為7 024萬元。

因此，采用保溫式預(yù)熱系統(tǒng)僅哈爾濱市一年便可節(jié)約資金2．16億元。

4 結(jié)論

論文用理論計算和模擬實驗的方法，對保溫式預(yù)熱系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究，并得出了保溫式發(fā)動機(jī)預(yù)熱系統(tǒng)預(yù)熱模型。

根據(jù)保溫式發(fā)動機(jī)預(yù)熱系統(tǒng)預(yù)熱模型，即使環(huán)境溫度低至-20℃，10 h后使用保溫式預(yù)熱系統(tǒng)，發(fā)動機(jī)氣缸溫度還可提高到27℃，達(dá)到夏天啟動的溫度，具有良好的預(yù)熱效果。

此外，保溫式發(fā)動機(jī)預(yù)熱系統(tǒng)還具有不受電源限制、耗能少的優(yōu)點。

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