高原高寒地域中重型車輛發動機預熱 起動輔助裝置研究

王朔，岳巍強，劉炳均，胡江濤

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高原高寒地域中重型車輛發動機預熱 起動輔助裝置研究

王朔1，岳巍強1，劉炳均1，胡江濤2

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

提高中重型車輛裝備在高原高寒環境下的低溫起動性能。研制一種適應高原高寒地域低溫低氣壓環境的冷卻液加熱器，加熱器將燃油燃燒產生的熱量傳遞給冷卻液，通過冷卻液的循環對發動機機體進行預熱。在低溫試驗室內－41 ℃常壓環境下，使用冷卻液加熱器預熱25 min后起動發動機，一次起動成功。在高原進行環境適應性試驗，預熱時間在25 min內，發動機一次起動成功。發動機預熱可有效提高－30~－41 ℃溫度地域的發動機低溫起動性能。

高原高寒環境；發動機預熱；燃油加熱器；低溫起動

目前，高原高寒地域的車輛裝備除采用渦輪增壓技術來提高裝備的高原環境適應性外[1]，針對發動機低溫起動問題，主要采取的輔助措施從預熱方法上可分為進氣預熱起動和發動機預熱起動[2]。進氣預熱起動通過進氣預熱裝置加熱進氣氣流，改善了可燃混合氣的燃燒狀態，在－30 ℃以上環境下低溫起動效果明顯；在－30 ℃以下，尤其是目前最為嚴苛的－41℃使用環境標準要求，僅靠進氣預熱則難以實現發動機順利起動，需要采取發動機預熱措施。

發動機的起動過程是指曲軸在外力作用下從開始轉動到發動機自動怠速運轉的全過程[3]。起動的開始階段由起動機帶動曲軸轉動，壓縮氣缸內的空氣達到燃料的著火點，可燃混合氣體燃燒膨脹做功。當發動機的轉速達到一定值時脫開起動機，活塞向下運動使曲軸旋轉，工作循環才能自動進行。因此發動機能否順利起動主要取決于起動轉速、壓縮終了壓力和溫度、混合氣濃度等因素。

低溫環境下，發動機機體溫度低，機油黏度大，潤滑條件差，形成潤滑油膜緩慢，從而導致發動機摩擦阻力矩升高。摩擦阻力矩是發動機起動阻力矩的主要組成部分，溫度越低，摩擦阻力矩在起動阻力矩中占比越大。隨著環境溫度的下降，發動機起動阻力因摩擦阻力矩升高而迅速上升，從而阻礙了發動機的正常起動。同時由于低溫環境下機油黏度增大，起動轉速降低，導致壓縮空氣泄漏時間增長，泄漏量明顯增加，使壓縮終了溫度和壓力下降。當壓縮終了溫度和壓力下降到一定程度，氣缸內可燃混合氣達不到最低著火臨界溫度，混合氣將不能著火，發動機就無法起動[4-7]。

通過發動機預熱可使發動機機體、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，改善可燃混合氣燃燒狀態。同時，機油黏度下降，潤滑條件得到改善，減少了機件磨損。

冷卻液加熱器是目前常用的發動機預熱裝置，加熱器將燃油燃燒產生的熱量傳遞給冷卻液，通過冷卻液的循環對發動機機體進行預熱，不僅可有效提高發動機低溫起動性能，而且還具有減少機件磨損、節約燃料、減少排氣污染等優點。

1 冷卻液加熱器的研究現狀

冷卻液加熱器在國外一些發達國家的應用十分普及，在歐美等發達國家，冷卻液加熱器己成為汽車的標準配置。目前，世界各汽車工業技術比較先進的國家，如德國、美國、日本和意大利等國的汽車加熱器研發和應用己經比較成熟。其中比較著名的有德國Webasto 和 Eberspacher公司，日本的三國等[8]。這些公司作為世界車用加熱器的領跑者，除已經開發出一系列技術成熟的加熱器產品外，都建有專門的研究中心，在燃燒技術，加熱器控制及排放水平等方面具有很多成熟的經驗和成果。

國內冷卻液加熱器設計與研究起步較晚，目前國內生產的車用冷卻液加熱器產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、河北宏業等企業生產的此類加熱器，主要應用于貨車、軍用車輛及公交車等大型車輛。近年來，這些國內加熱器企業也與山東大學、吉林大學、長安大學等國內高校廣泛開展合作，共同進行冷卻液加熱器的開發與研究[9-10]。隨著汽車冷卻液加熱器相關技術和產品的引進，國內一些高校也陸續對冷卻液加熱器的功率匹配、點火性能、燃燒特性、換熱特性以及排放對環境的影響等進行了深入的研究與分析[11-14]。

目前國內外設計的冷卻液加熱器大多是僅針對低溫條件設計的，在高海拔低氣壓條件下, 這種冷卻液加熱器自身點燃效果變差，導致發揮的作用也很受限。針對低溫低氣壓使用環境，由軍事交通學院和中國兵器裝備集團公司394廠聯合研制生產的某型燃油加熱器，分別在高海拔低氣壓模擬試驗臺和海拔2000 m、23 ℃的新疆拜城進行了試驗，取得了良好的試驗效果[15]。

2 冷卻液加熱器的結構與工作原理

冷卻液加熱器由燃燒頭總成、電磁油泵單元、燃燒系統、熱交換器和獨立循環水泵等5部分組成，其中燃燒頭總成主要包括主電機和助燃風輪，主電機和助燃風輪同軸安裝，負責提供助燃空氣。電磁油泵單元連接油箱與冷卻液燃油加熱器單元進油管，提供加熱器所需燃料。燃燒部件組合主要包括點火塞、揮發網、燃燒室等，此部分保證助燃空氣和供應的燃油良好配合并穩定燃燒。獨立循環水泵強制水路中冷卻液的流動。熱交換器總成將燃燒熱量傳遞給冷卻液。

圖1 冷卻液加熱器結構

其工作原理是：工作時點火塞通電預熱，當其達到額定溫度后電磁泵和電機通電工作，燃油被電磁油泵吸入并送到揮發網上，燃油立即揮發并與助燃風輪送入的助燃空氣混合，油氣混合物在點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，火焰探測器動作，控制電路切斷點火塞供電，加熱器正常燃燒。冷卻液加熱器水路與發動機冷卻系統連接形成循環通路，燃油燃燒產生的熱量通過熱交換器傳遞給發動機冷卻液，經加熱的冷卻液由獨立循環水泵強制在發動機冷卻系統中循環流動，從而實現對發動機機體的預熱[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計研發

3.1 結構優化設計

為了適應高原高寒地域低溫低氣壓環境使用需要，對冷卻液加熱器的結構進行了必要的優化設計。

1）提高加熱器低溫點火性能。采用先進的高壓霧化揮發點火技術，相比傳統的旋轉霧化技術，有效提高了點火性能。優化設計進氣結構，將助燃風輪葉片由直葉式改為斜葉式，保證了足夠的助燃風量。科學設計內部結構，在控制加熱器整體尺寸的同時，加長燃燒室內部空間，并增加二次揮發網以增強燃油的霧化效果，使燃油和空氣混合更為均勻。通過以上設計，有效提高了加熱器自身低溫點火性能和燃料燃燒效能。

2）提高加熱器傳熱效能。通過燃燒室內部空間的加長，增大了傳熱面積，同時對加熱器散熱片、導水環進行了優化設計，改變導水環的形狀與間隙，使其分割流體，強化傳熱，在提高了加熱效能的同時，有效控制了外形尺寸，熱交換器結構見圖3。

圖3 熱交換器結構

3）提高加熱器低氣壓環境工作性能。優化設計控制系統，實現對冷卻液加熱器工作過程的智能控制。冷卻液加熱器控制系統流程如圖4所示。同時在控制系統內配置大氣壓力傳感器，根據氣壓自動調節供油量，可滿足發動機在高原低溫低氣壓條件下可靠工作的要求。

3.2 功率設計

以某中型和重型越野車為主要研究對象，考慮到加熱器的通用性及減少型號的需要，以重型越野車發動機為基礎進行加熱器功率設計，兩型車發動機主要技術參數見表1。

表1 發動機技術參數表

為了保證－41 ℃環境下發動機在30 min內能夠成功起動，冷卻液加熱器需在25 min時間內將發動機機體溫度由－41 ℃升至－20 ℃。

冷卻液加熱器產生的熱量主要由三部分受熱介質吸收：發動機機體、冷卻液和潤滑油。將潤滑油視為同等量冷卻液以簡化計算：

式中：1為計算系數；為發動機質量，kg；c為換熱系數，20W/m2·K；為發動機總散熱面積，m2；1為加溫介質的比熱，kJ/(kg·K)；為加溫介質的質量流量，kg/m3；為加溫介質的體積，m3；Δ為溫差，K；′為修正系數；1為發動機缸體所需熱功率，kW；2為液體升溫所需熱量，kJ；為加熱器功率，kW；為加熱器加溫時間，min；

計算系數1取值見表2。重型車發動機質量為850 kg，外形尺寸為1542 mm×675 mm×965 mm，發動機簡化為規則長方體計算散熱面積，散熱面積約為6.36 m2，代入式（3），得發動機機體所需熱功率1≈5.1 kW。

圖4 冷卻液加熱器控制系統流程

表2 發動機機體溫升計算系數表

加溫介質比熱為3.2 kJ/(kg·K)，加溫介質的體積為0.072 m3，由德國埃貝公司的技術經驗參數：′取1.2，代入式（2），可得液體升溫所需熱量2≈6270 kJ。因此，在加熱時間=25 min內，將發動機機體溫度由－41 ℃升至－20 ℃，所需的冷卻液加熱器功率=1+2/60=9.28 kW。

考慮一定的設計裕量，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。根據兩型車底盤下部空余空間實際情況，設計冷卻液燃油加熱器尺寸（長×寬×高）為：435.5mm×210mm×180mm。

圖5 冷卻液加熱器外形

4 高原低溫起動試驗

4.1 低溫試驗室內試驗

對兩型測試車輛更換低溫用燃油、潤滑油和齒輪油，分別加裝研制的10 kW冷卻液加熱器。加熱器通過支架固定在車輛底盤下部，外接管路與發動機冷卻系統連接，形成循環通路，加熱器所需燃料直接從汽車油箱獲取。該加熱器安裝簡便，不會對及車輛和發動機的結構及性能造成影響。安裝如圖6所示。

試驗方案為：依據GJB 150.4A—2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法－低溫試驗》相關要求，將低溫試驗室內環境溫度降至－41 ℃。在此環境下，對兩型車保溫8 h后進行試驗，首先啟動冷卻液加熱器對發動機進行預熱（中型車輛預熱20 min，重型車輛預熱25 min），預熱結束后進行發動機起動測試。經測試，兩型車輛發動機經冷卻液加熱器預熱后，均一次起動成功。

4.2 高原環境適應性試驗

對兩臺測試車輛加裝研制的10 kW冷卻液加熱器，在青藏高原某地進行環境適應性試驗，試驗時間為每天凌晨5:00—6:00氣溫最低時段（由于地域及季節所限，未找到－41℃環境）。試驗方案為：測試車輛停放于野外測試場地至少24 h后進行試驗，試驗時首先啟動冷卻液加熱器對發動機進行預熱（中型車輛預熱20 min以內，重型車輛預熱25 min以內），預熱結束后進行發動機起動測試。測試完畢后，車輛繼續在測試場地保持靜置狀態24 h，再進行下一輪測試。共進行10輪測試，具體測試記錄見表3（其中發動機起動時間包括：從冷卻液加熱器點火開始直到發動機起動成功并運轉正常經歷的時間）。

圖6 冷卻液加熱器實車安裝

表3 高原環境實車試用記錄

5 結論

1）發動機預熱可有效提高發動機低溫起動性能。

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 ℃極端低溫環境下，預熱時間在25 min以內，實現車輛的順利起動。

3）通過采用先進的冷卻液加熱器點火技術，優化設計點火部件、進氣結構、燃燒室形狀和傳熱系統等結構，同時在控制系統內配置大氣壓力傳感器，根據氣壓自動調節供油量，可使發動機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，內蒙古人，碩士，主要研究方向為裝備試驗檢測。