獨(dú)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(xué)能源與動力工程學(xué)院，濟(jì)南 250061；2.河北安吉宏業(yè)機(jī)械股份有限公司，河北 泊頭 062150）

獨(dú)立式車用加熱器自20世紀(jì)30年代于德國問世以來，以其不受發(fā)動機(jī)工況影響、加熱迅速、熱效率高、可全天候用于汽車車內(nèi)取暖、車窗除霜和發(fā)動機(jī)低溫冷起動預(yù)熱等諸多優(yōu)點(diǎn)而逐漸為行業(yè)所應(yīng)用。目前，歐美已在客車、貨車、礦山機(jī)械等各類運(yùn)輸車上廣泛應(yīng)用。上世紀(jì)90年代初，已有世界知名企業(yè)的加熱器產(chǎn)品開始進(jìn)入中國市場銷售。近些年來，我國的車用加熱器亦發(fā)展迅速。2010年國產(chǎn)各類加熱器約10萬臺，國內(nèi)骨干客車企業(yè)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(jī)械、發(fā)電機(jī)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(nèi)取暖與車窗除霜

對于冬季或寒冷地區(qū)，車內(nèi)取暖和車前擋風(fēng)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(fā)動機(jī)冷卻水或排氣余熱，是車內(nèi)取暖與除霜的常見方法。此法的最大優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能，但其前提是發(fā)動機(jī)必須處于工作狀態(tài)，且受發(fā)動機(jī)的工況限制，供熱量有限。通常在起動暖機(jī)時是發(fā)動機(jī)熱量“自身難保”；行駛中，還要看發(fā)動機(jī)是否處于有多余熱量可供的較大負(fù)荷工況，否則中小負(fù)荷下強(qiáng)行供熱，不但供熱量不足，還會降低本來就未達(dá)到最佳工作點(diǎn)的水溫，從而增大油耗，加劇磨損，影響發(fā)動機(jī)使用壽命；當(dāng)停駛熄火時，便無熱量可供；而利用駐車怠速運(yùn)轉(zhuǎn)，不僅供熱有限，熱效率極低，不經(jīng)濟(jì)，且長此以往會大大影響發(fā)動機(jī)的使用壽命。

獨(dú)立式車用加熱器，不受發(fā)動機(jī)工況影響，可在任何情況下提供充足的熱量，且供熱迅速、穩(wěn)定，能確保乘車的舒適性和行駛安全。

1.2 發(fā)動機(jī)低溫冷起動預(yù)熱

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

1.2.1 減輕磨損

在發(fā)動機(jī)的使用周期中，氣缸之磨損50%發(fā)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(jù)文獻(xiàn)[2]報(bào)道，-5℃時冷車起動一次，其氣缸磨損量約相當(dāng)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(xiàn)[3]稱，油中所含硫越多，溫度越低，對氣缸壁的腐蝕越大。當(dāng)冷卻水溫低于55℃、發(fā)動機(jī)在部分負(fù)荷下工作時，氣缸套與第一道活塞環(huán)的腐蝕磨損比正常運(yùn)轉(zhuǎn)溫度下的腐蝕磨損增加2～2.5倍。而文獻(xiàn)[4]認(rèn)為，發(fā)動機(jī)氣缸壁、活塞和活塞環(huán)、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(huán)磨損量隨冷卻水溫而變的大致走向示意圖[5-6]?？梢钥闯?，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(fā)動機(jī)冷卻水路串聯(lián)，由加熱器對發(fā)動機(jī)冷卻水（以及潤滑油）循環(huán)加熱至設(shè)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(dǎo)致摩擦損失大大增加。另外，在低溫情況下，由于缸內(nèi)工質(zhì)與缸壁的溫差加大，使得工質(zhì)所散熱量增多，而用于作功的熱能減少。這些因素都會使發(fā)動機(jī)指示熱效率和機(jī)械效率大大下降。

有試驗(yàn)表明，氣溫為-3℃時，不預(yù)熱發(fā)動機(jī)而直接起動；當(dāng)水溫升至80℃時，需運(yùn)轉(zhuǎn)15 min，耗油約1 L；但若用熱水預(yù)熱機(jī)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(yù)熱即可使耗油降低40%，而時間卻縮短了33.3%。試驗(yàn)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(fā)動機(jī)進(jìn)行預(yù)熱，其節(jié)油效果顯著。而運(yùn)用獨(dú)立式車用加熱器來預(yù)熱發(fā)動機(jī)具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢：一是加熱速度快，通常10 min左右即可將發(fā)動機(jī)水溫加熱至80℃（與所配用的加熱器熱功率有關(guān)）；二是節(jié)油，加熱器的熱效率一般在70%以上，是內(nèi)燃機(jī)正常運(yùn)行時最佳熱效率的1.5～2倍，比發(fā)動機(jī)低溫冷起動預(yù)熱時的熱效率更是大得多。

1.2.3 降低冷起動排放

內(nèi)燃機(jī)中燃料的未燃燒及半燃燒狀態(tài)，主要出現(xiàn)在起動過程的初始期。在冷起動與暖機(jī)過程所產(chǎn)生的排放量占據(jù)工況法排放量的很大比重。因低溫冷起動時機(jī)體溫度很低，使得燃油噴霧和蒸發(fā)性很差，其中大部分燃油形成壁膜，只有少量蒸發(fā)[8]，從而導(dǎo)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(chǎn)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(lián)邦FTP-75測試75個循環(huán)的試驗(yàn)方法，采用閉環(huán)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(nèi)產(chǎn)生的[11]。而據(jù)文獻(xiàn)[9]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在低溫冷起動排放測試過程中，第1個ECE循環(huán)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%?？梢?，若能有效地降低低溫冷起動過程的排放，即可對降低機(jī)動車排放做出巨大的貢獻(xiàn)。

筆者在清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，對EQ491i多點(diǎn)進(jìn)氣道電噴汽油發(fā)動機(jī)進(jìn)行了有、無加熱器的低溫冷起動試驗(yàn)。測試前，首先將發(fā)動機(jī)冷卻至-7℃，并恒溫6 h，然后按歐Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行發(fā)動機(jī)排放測試。

試驗(yàn)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(yàn)時，先起動加熱器對發(fā)動機(jī)冷卻液循環(huán)加熱，當(dāng)加熱器的水溫傳感器測得水溫達(dá)78℃（控制器設(shè)定溫度）后，加熱器停止工作，同時起動發(fā)動機(jī)并進(jìn)入排放測試過程。

圖3為EQ491i發(fā)動機(jī)歐Ⅲ排放測試中，前兩個15工況循環(huán)，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?yàn)橥ㄟ^加熱器對發(fā)動機(jī)預(yù)熱后，使機(jī)體溫度大大上升，從而改善了燃油的霧化和蒸發(fā)，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(yù)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(jī)溫上升改善了混合氣的形成環(huán)境和混合氣質(zhì)量，使空燃比趨于均勻，減少了局部富氧現(xiàn)象，更好地實(shí)現(xiàn)了均相燃燒，提高了燃燒品質(zhì)。另外，機(jī)溫升高，ECU會減小點(diǎn)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(jié)果，在催化器前，使前兩個15工況循環(huán)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(chǎn)物，其生成主要受混合氣濃度的影響。經(jīng)加熱器預(yù)熱的發(fā)動機(jī)，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(jī)溫升高，可改善燃油蒸發(fā)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(huán)的CO累積排放下降2.8%左右（見圖6）。

盡管加熱器使發(fā)動機(jī)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(wěn)定持續(xù)燃燒，故其燃燒比較好組織，所以燃燒比較完全。經(jīng)對加熱器單獨(dú)測試，其累積排放量在與發(fā)動機(jī)起動初期的前兩個15工況循環(huán)對應(yīng)時間內(nèi)，加熱器的HC排放為EQ491i原機(jī)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(yīng)的熱交換器，加熱器幾乎可以對車上的任何部位（或部件）進(jìn)行加熱，比如裝有潤滑油的發(fā)動機(jī)油底殼、燃油箱、蓄電池等。

若對發(fā)動機(jī)油底殼中的潤滑油進(jìn)行加熱，可降低機(jī)油粘度，改善流動性，降低機(jī)油流阻和泵壓，能使?jié)櫥驮谄饎拥某跗诒M快流達(dá)各潤滑點(diǎn)，并迅速實(shí)現(xiàn)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(zhì)量，從而降低油耗和排放。加熱蓄電池，可恢復(fù)蓄電池的容量，改善發(fā)動機(jī)的起動性能。

圖7是免維護(hù)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(guān)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(fā)動機(jī)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(jìn)行預(yù)熱，即可解決或緩解因低溫環(huán)境而使蓄電池容量下降的問題。

獨(dú)立式車用加熱器，可通過定時或遙控使其在駕車之前將發(fā)動機(jī)、車箱等擬預(yù)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(huán)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(fā)動機(jī)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(yù)熱裝置所不能與之比擬的。

3 結(jié)束語

機(jī)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(dú)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(qū)約占陸地總面積的80%，-25℃以下的低溫地區(qū)約有25%[14-15]。由此可知，無論就機(jī)動車的數(shù)量，還是需求地域，獨(dú)立式車用加熱器都具有廣闊的應(yīng)用前景。一旦普及，定會給社會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

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