柴油機冷起動輔助措施的匹配優化試驗研究

張艷輝，于 翔（中國第一汽車股份有限公司技術中心，長春 130011）

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柴油機冷起動輔助措施的匹配優化試驗研究

張艷輝，于 翔
（中國第一汽車股份有限公司技術中心，長春 130011）

摘要：重點論述了柴油機冷啟動輔助裝置燃油加熱器的選型試驗。對燃油加熱器優劣的評價指標進行了分析研究，提出了燃油加熱器的評價方法。最后通過樣本CFD分析，優化了燃油加熱器與發動機之間水路系統的匹配，實際效果進行了試驗驗證。

關鍵詞：冷起動；燃油加熱器；選型試驗；匹配優化

前言

冷起動性能是柴油機的重要性能之一，發動機必須具備良好的冷起動性能，才能保證車輛的低溫環境下的正常工作。從市場調查及發動機整車標定試驗統計，在環境溫度-35 ℃以上條件下，車輛基本都能在設計目標時間內順利起動成功。但在環境-40 ℃以下，如果車輛不加裝特殊的輔助起動裝置，基本無法自然起動。

1　燃油加熱器

燃油加熱器是目前普遍采用的一種輔助預熱裝置。它的工作原理是：油料在燃油加熱器的燃燒器內燃燒，將熱量通過熱交換器傳遞給冷卻液來加熱發動機整機。發動機被加熱后，氣缸、活塞、活塞環以及各軸承的溫度升高，存在于這些摩擦副之間的機油溫度也隨之升高，降低了起動阻力，增加了起動轉速，從而提高了壓縮終了時的溫度與壓力，使發動機很容易起動。其工作原理如圖1所示。

圖1　為燃油加熱器工作原理示意圖

2　燃油加熱器的選型試驗

2.1 選型產品

某項目在整車冷起動方面開發目標定為：整車在-41 ℃環境條件下發動機成功起動。柴油發動機型號為CA6DL2-35E3R，在4款產品中進行燃油加熱器選型試驗。其中A和B產品為國外對標產品，C和D是本次試驗的選型樣本產品。選型試驗的4款產品的具體參數如表1所示。

2.2 具體試驗方案

1）將裝有發動機的標準臺架置于環境倉內，環境倉溫度設定在-41 ℃，經同溫處理12 h以上，冷卻液溫度（發動機出水溫度）和機油達到-40±1 ℃后方可進行試驗。

2）同溫處理滿足試驗條件后，開始試驗。以起動加熱器按鈕開始計時，22 min后關閉加熱器，啟動發動機。

2.3 選型試驗結果分析

1）冷卻液水溫度升溫效果

選型試驗結束時刻，各冷卻液溫度測量點的數據見表2。

從燃油加熱器使用目的出發，加熱發動機內部機體是最終目的，所以在相同時間內，以發動機內部機體加熱程度做為評價燃油加熱器性能好壞的最主要指標。

用發動機出水溫度代表缸體加熱程度，做為加熱效果的主要判定依據。根據試驗結果比較，發動機出水溫度從高到低排序依次為：B＞A＞D＞C。

2）耗電量

影響柴油機低溫冷起動的主要因素之一是起動力矩，起動前的蓄電池電量的多少，決定起動力矩的大小。蓄電池電量的剩余量是評價燃油加熱器的另一個主要參數，表3中為試驗測量數據。耗電量從多到少依次是：C＞D＞B＞A。

注：用電量計算公式為=òVIDt Q

3）拖動轉速

燃油加熱器工作22 min后，關閉加熱器，起動發動機起動，對比4次選型試驗發動機起動結果如表4所示。

拖動轉速的高低直接影響發動機是否能順利起動，從上述數據分析，4次試驗發動機起動的拖動轉速，均已經滿足發動機起動條件，通過數據對比，最利于發動機起動條件依次為：B＞A＞D＞C。

表1　4款柴油發動機的具體參數

表2　各冷卻液溫度測量點的數據

表3　柴油機耗電量試驗測量數據

表4　4次選型試驗發動機起動結果對比

通過從冷卻液溫度、用電量和發動機起動驗證3項指標進行比較，D樣品優于C樣品，所以最終選擇D樣品。

3　D型燃油加熱器裝機后發動機預熱性能的匹配優化

燃油加熱器加熱效率、加熱器的耗電量等指標的差異，是由于燃油加熱器本體性能差異所決定。但燃油加熱器對發動機機體的加熱效果，還與燃油加熱器與發動機連接水路的匹配設計有很大關系。為了更好的優化D型燃油加熱器的預熱性能，現進行了D型燃油加熱器裝機匹配優化。

3.1 燃油加熱器與發動機的連接水路原方案（選型試驗方案）

原連接方式照片和示意圖如圖2所示。圖2a）中圈1標記為加熱器進水口，圈2標記為加熱器出水口。

圖2b）中虛線表示燃油加熱器工作時的循環水路，燃油加熱器加熱的冷卻液從發動機上部節溫器前端進入發動機，冷卻液在發動機機體內循環后，從水泵處加裝的出口流出，進入加熱器進水口，形成循環閉合回路。圖中實線表示發動機工作狀態，節溫器關閉條件下，為內部循環水路。

3.2 水路控制閥門

對于發動機總成來說，發動機出水口位于機體上端，發動機入水口（水泵）位于機體下端，發動機機體的循環水路與燃油加熱器工作的循環水路正好相反，所以在發動機入水口（水泵）與燃油加熱器連接管路之間增加了控制閥門。在使用燃油加熱器前將此閥門打開，燃油加熱器工作結束后，發動機起動之前，此閥門必須關閉，防止發動機起動后，燃油加熱器內水流逆向循環損壞燃油加熱器。

3.3 燃油加熱器的加熱效果

對比燃油加熱器進出水溫差與發動機缸體前、中和后表面溫度分布，22 min試驗結束時刻數據如表5所示。

由表5可知以下兩點：

1） 燃油加熱器進出水溫差比較大；

2）發動機缸體表面溫度不均勻。

圖2　選型方案的照片及水路示意圖

表5　燃油加熱器加熱效果試驗結束時刻數據

發動機缸體表面溫度不均勻，初步分析由于燃油加熱器工作過程中，發動機機體內的水流分配不合適造成的。由于機體內的水流量分配不合適，出現局部升溫過快現象，同時環境溫度很低，加快了局部機體表面的散熱，散去的熱量過多，造成燃油加熱器進水口溫度較低（體現在燃油加熱器進出水溫差比較大）。

3.4 燃油加熱器與發動機連接水路系統的優化

3.4.1 選型試驗發動機循環水路分析

從選型試驗燃油加熱器與發動機連接水路進行分析，此工程應用屬于流體力學中的并聯管路水流量分配原理。

圖3　選型方案并聯水路示意圖

將發動機內部水路簡化成小循環水路、缸蓋水套、缸體水套和機油冷卻器水套如圖2b）所示。

選型試驗中的水路布置分配如圖3所示。

a點上流量為：

并聯節點a、b間的阻力損失，從能量平衡觀點來看，無論是1支路還是2支路均等于a、b兩節點的壓頭差。

設S為并聯管路的總阻抗，Q為總流量：

將上式整理得出：

于是得到并聯管路計算原則：并聯節點上的總流量為各支管中流量之和；并聯各支管上的阻力損失相等。總的阻抗平方根倒數等于各支管阻抗平方根倒數之和。

進一步分析式（4），將它變為：

此式即為并聯管路流量分配規律。它的意義在于，各分支管路的管段幾何尺寸、局部構件確定后，按照節點間各分支管路的阻力損失相等，來分配各支管上的流量，阻抗S大的支管其流量小，S小的支管其流量大。

從燃油加熱器試驗得出發動機缸體表面加熱不均勻，此現象是由于發動機水路循環系統中，兩條并聯管路水流量分配有差異造成的，即是兩條并聯管路中阻抗有明顯大小差異。

3.4.2 發動機水路計算分析

為了明確發動機水套內部各部分的壓力分布，進行了發動機整機CFD分析。

下圖4是整個水套的壓力分布情況，在350 L/min流量時，各部分的壓降值如下：

圖4　壓降結果

機冷器水套部分壓降：0.14 bar

缸體水套部分壓降：0.27 bar

缸蓋水套部分壓降：0.5 bar

小循環水路部分壓降：0.02 bar

從分析結果可以得出，以上四部分水路的阻力比值關系如下：

小循環水路：機冷器水套：缸體水套：

缸蓋水套=1：7：13.5：25。

由于發動機水路結構是固定的，水路個部分阻力的比值不會隨水流量的變化而變化，所以此阻力關系可以應用在燃油加熱器水路匹配關系中。

3.4.3 燃油加熱器水路匹配

根據CFD計算結果可以知道，在原連接方式中，兩條管路的阻力為1：45.5，配比嚴重失衡。通過調整小循環水路、缸蓋水套、缸體水套和機油冷卻器水套，這些主要水路部件在管路1和2中的位置，使1和2管路中的阻力近似相等，來優化并聯管路，使燃油加熱器的加熱效果達到最佳狀態。

通過更改發動機機體部分磨具，重新確定了燃油加熱器與發動機連接的進出水口的位置，見圖5。

圖5a）中圈1標記為加熱器進水口，圈2標記為加熱器出水口。示意圖中虛線表示優化后的燃油加熱器工作循環水路。示意圖如圖6表示。

重新布置后并聯管路1和2的阻力比為26：20.5，兩條管路的阻力配比基本達到平衡；同時由發動機機體后端入水，使得燃油加熱器工作的循環水路與發動機機體的循環水路方向相同，取消了水路控制閥門，不用擔心由于誤操作而使得燃油加熱器損壞，一舉兩得。

3.5 優化后的開發驗證性試驗

按照優化后的設計，重新制作了發動機試驗臺架。按照選型試驗的試驗方法進行了低溫環境臺架試驗，具體試驗結果如表6所示。

從試驗結果上看，燃油加熱器的進出水溫差在5-6℃之間，比選型試驗降低了5 ℃，而發動機缸體表面溫度從前至后，溫度分布基本均勻，解決了選型試驗中出現的問題。

圖5　改進方案的照片及水路示意圖

圖6　改進方案并聯水路示意圖

4　結束語

在整車匹配燃油加熱器項目開發過程中，通過燃油加熱器選型試驗，根據冷卻液水溫度升溫效果、耗電量、拖動轉速等評價條件，選擇了D型燃油加熱器。并通過流體力學中的并聯管路水流量分配原理，CFD分析燃油加熱器和發動機連接水路，及不同水路結構對燃油加熱器加熱效果的影響差異，優化選型試驗的循環水路結構。總結出以下兩方面結論：

1）確立了燃油加熱器的評價方法，明確了評價燃油加熱器性能的技術參數；

2）通過CFD分析發動機水套各部分的壓降，以流體力學中的并聯管路水流量分配原理為依據，優化燃油加熱器與發動機的水路聯接，使得燃油加熱器的作用發揮到最大。

表6　優化后的開發驗證性試驗結果

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張艷輝（1965-），女，碩士，高級工程師，主要從事整車試驗方面的研究。

Research on the Matching Optimization Experiment for Support Measure of Cold Start of Diesel Engine

ZHANG Yan-hui, YU Xiang
(R&D Center of, China FAW Co.,Ltd., Changchun 130011)

Abstract：This paper mainly discusses the selection experiments for diesel heater with diesel engine start assistant statement. With the analysis and research for diesel heater's advantage and disadvantage evaluation specification, the diesel heater selection evaluation method is proposed. Finally, through the analysis of CFD sample, matching between diesel heater and engine water flow system is improved, and the actual effect is tested and verified.

Key words：cold-start; diesel heater; selection experiment; match improvement

作者簡介:

中圖分類號：U467.2+1

文獻標識碼：A

文章編號：1004-7204（2016）01-0047-06