柴油機(jī)冷啟動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究

李志香，李曉艷

（1.國家開放大學(xué) 工學(xué)院，北京 100039；2.北京興科迪科技有限公司，北京 100091）

0 引言

柴油機(jī)冷啟動(dòng)性能差，是柴油機(jī)在使用過程中存在的突出問題。分析柴油機(jī)冷啟動(dòng)的影響因素，提出改善柴油機(jī)冷啟動(dòng)性能的措施具有實(shí)際意義。改善柴油機(jī)的低溫起動(dòng)性能除了對柴油機(jī)自身進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)外, 最重要的是采用低溫輔助措施[1]。目前提高柴油機(jī)冷啟動(dòng)性能的主要措施有保溫、預(yù)熱、電啟動(dòng)、合理使用燃料和潤滑油、噴入輔助燃料，以及采用外置強(qiáng)制循環(huán)式燃油加熱器、用火焰預(yù)熱裝置起動(dòng)[2～4]等。但是以上方案均存在著方案復(fù)雜、可操作性差、成本高、不能完成滿足要求的缺點(diǎn)。因而，研究汽車柴油機(jī)在低溫條件下的啟動(dòng)，采取相應(yīng)的技術(shù)措施，對于改善其使用性能，滿足人們生活需要，節(jié)約油材料，確保行車安全，保證汽車合理使用具有重大意義?；赟olidWorks軟件設(shè)計(jì)了一種新的柴油機(jī)冷啟動(dòng)系統(tǒng)，主要是想解決柴油在低溫下的結(jié)蠟和蓄電池低溫下的性能降低兩個(gè)方面問題。

1 柴油機(jī)冷啟動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

柴油機(jī)冷啟動(dòng)系統(tǒng)是一種可以讓汽車在低溫環(huán)境下，保證汽車正常啟動(dòng)的一套系統(tǒng)。通常是依靠汽車電池提供電能，通過高分子導(dǎo)電膜將電能轉(zhuǎn)化為熱能，使汽車燃油系統(tǒng)各相關(guān)部件進(jìn)行加熱，以滿足汽車啟動(dòng)條件。設(shè)計(jì)需符合以下要求：

1）在-40oC環(huán)境下，通過高分子導(dǎo)電膜加熱系統(tǒng)對汽車啟動(dòng)部件進(jìn)行加熱，確保在柴油機(jī)啟動(dòng)前融化足夠的油量，以滿足啟動(dòng)和正常運(yùn)行。

2）通過對蓄電池的加熱，改善蓄電池的啟動(dòng)性能，使其在低溫環(huán)境下，也能達(dá)到柴油機(jī)正常啟動(dòng)的要求，即符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T5008.1《起動(dòng)用鉛酸蓄電池條件》的要求。

2 柴油機(jī)冷啟動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在給出方案的基礎(chǔ)上，確定各主要功能模塊的具體結(jié)構(gòu)型式，利用SolidWorks軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。新設(shè)計(jì)的柴油機(jī)冷啟動(dòng)系統(tǒng)主要分為以下幾大部分：油箱的加熱、油管的加熱、蓄電池的加熱。

2.1 油箱加熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

利用高分子加熱膜作為加熱材料[5]，通過多種方案比較驗(yàn)證，采用以下方案對油箱進(jìn)行加熱。將高分子導(dǎo)電膜固定于油箱內(nèi)部，并用絕緣材料將高分子材料與柴油隔離。在啟動(dòng)前通電融化柴油。此方案特點(diǎn)：熱量損失少；結(jié)構(gòu)簡單方便；與原有油箱制作工藝配套，加工方便；加熱集中，能快速融化結(jié)蠟的柴油。

油箱加熱總成主要由油箱總成、加熱膜、加熱膜固定裝置、出線螺栓組成。油箱總成主要由箱體、加強(qiáng)板、油管組成。

圖1 油箱加熱總成結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 油箱總成結(jié)構(gòu)示意圖

加熱膜為上下各一片，加熱膜固定裝置可點(diǎn)焊在油箱殼體內(nèi)，加熱膜采用卡扣安裝在加熱膜固定裝置上。兩電熱膜間距為0.04米，電熱膜尺寸為：0.3米×0.3米。出線螺栓焊接在油箱殼體上，導(dǎo)組可固定在油箱加強(qiáng)板上。

圖3 加熱膜、加熱膜固定裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 出線螺栓、導(dǎo)線結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 電路設(shè)計(jì)

為了保證加熱在合理溫度后，停止加熱，在加熱電路中設(shè)計(jì)溫度傳感器，使實(shí)時(shí)探測溫度，當(dāng)油箱內(nèi)溫度達(dá)到某一設(shè)定值時(shí)，切斷電路停止加熱。油箱加熱電路原理框圖如圖5所示。

圖5 油箱加熱電路原理框圖

經(jīng)與汽車設(shè)計(jì)廠家溝通調(diào)查并查閱相關(guān)資料，確認(rèn)需保證車正常啟動(dòng)，可用油量應(yīng)大于5升，則融化油量所需的熱量為：

其中：C為-10#柴油的比熱容2100J/(kg·oC)；

M為需融化柴油的質(zhì)量；柴油密度：0.84g/cm3；M=0.84×5000=4.2kg。

T1為目標(biāo)加熱溫度-10oC。

T2為初始溫度-40oC。

加熱膜功率密度Wθ（W/m2）參數(shù)確定：

由Q=WT=2*Wθ*L*S*T可推出：

其中：T為設(shè)計(jì)加熱時(shí)間，30分鐘。

W為總功率；

Wθ為功率密度；

L為加熱膜長度0.3m；

S為加熱寬度0.3m。

2.3 油管加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

利用高分子導(dǎo)電膜制作成管狀結(jié)構(gòu)，直接套裝在油管外表面，并在高分子導(dǎo)電膜外層套裝海棉隔熱材料。

融化油量所需熱量計(jì)算：油管半徑為0.005米；油管長度為7米。

需融化油量：3.14×0.0052×7=0.0005m3=0.5L。

融化油量所需熱量：

Q=C*M(T1-T2)=2.1×0.84×500×（-10+40）=26.46KJ

加熱膜功率密度Wθ（W/m2）參數(shù)確定：

Q=WT=2*Wθ*A*L*T可推出Wθ=Q/(2*L*S*T)=66.8W/m2

其中：L為加熱膜長度，7m；

S為加熱膜寬度，2×3.14×0.005m=0.0314m。

油管加熱電路設(shè)計(jì)：將高分子導(dǎo)電膜引線與蓄電池連接，當(dāng)啟動(dòng)前對油進(jìn)行加熱，融化油量。因油管上柴油流動(dòng)較快，不會(huì)引起過熱，故不需組裝溫控裝置。

3 蓄電池的加熱設(shè)計(jì)

3.1 蓄電池加熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

利用高分子導(dǎo)電膜制作成片狀結(jié)構(gòu),并組為五面體，組裝與塑料成形的箱體內(nèi)。其中高分子導(dǎo)電膜緊貼蓄電池外壁，可以直接將熱量導(dǎo)入蓄電池內(nèi)部。蓄電池加熱總成包括蓄電池、外殼、隔熱板、加熱墊。外殼采用工程塑料組裝。

圖6 蓄電池加熱總成結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 蓄電池外殼結(jié)構(gòu)示意圖

隔熱板采用隔熱泡沫塑料板，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.17，可有效隔熱，使熱量不能散失。

圖8 隔熱板、加熱膜結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 蓄電池加熱電路設(shè)計(jì)

將高分子導(dǎo)電膜引線與蓄電池連接，當(dāng)啟動(dòng)前對蓄電池進(jìn)行加熱。使蓄電池溫度從-40oC升到滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T5008.1-2005 《起動(dòng)用鉛酸蓄電池條件》中第4.2條低溫啟動(dòng)能力試驗(yàn)中要求的-18oC。并在高分子導(dǎo)電膜與蓄電池外壁間設(shè)有溫度傳感器，在溫度過高時(shí)進(jìn)行斷電保護(hù)。電路原理框圖如下：

圖9 蓄電池加熱電路原理圖

4 油箱加熱試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 油箱加熱試驗(yàn)

1）試驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證按照油箱加熱理論設(shè)計(jì)，試驗(yàn)結(jié)果是否滿足原設(shè)計(jì)要求。

2）試驗(yàn)方法：

（1）在油箱中放入-10#柴油，按設(shè)計(jì)安裝加熱膜部件。

加熱膜部件功率密度要求817W/m2，為確保符合要求，現(xiàn)功率密度加大至1000W/m2。

（2）將油箱總成放入-40oC低溫箱，保溫20小時(shí)。

（3）將加熱膜與蓄電池24V150AH連接，

對結(jié)蠟柴油進(jìn)行加熱。

（4）加熱30分種時(shí)，觀察柴油溫度及狀態(tài)。

表1 油箱加熱測試記錄表

圖10 油箱加熱溫度曲線圖

圖11 油箱柴油加熱后效果

3）試驗(yàn)結(jié)論：從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在經(jīng)過30分鐘的加熱后，柴油開始融化。融化體積實(shí)測為：(0.04+0.02)m×0.3m×0.3m=0.0054m3=5.4L。與理論設(shè)計(jì)基本一致。

4.2 蓄電池加熱試驗(yàn)驗(yàn)證

1）試驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證按照蓄電池加熱理論設(shè)計(jì)，試驗(yàn)結(jié)果是否滿足原設(shè)計(jì)要求。

2）試驗(yàn)方法：

（1）將加熱將蓄電池24V150AH按設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方案，與外殼、隔熱板、加熱墊組裝。

（2）放入-40oC低溫箱內(nèi)，放置20小時(shí)。

（3）在溫度穩(wěn)定后，使加熱墊與蓄電池連接，加熱30分鐘，觀察蓄電池溫度變化。

表2 蓄電池加熱試驗(yàn)圖表

圖12 蓄電池加熱溫度曲線圖

3）試驗(yàn)結(jié)論：在加熱30分鐘后，電池酸液溫度升至-18oC以上，符合設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語

本文根據(jù)汽車的使用環(huán)境及各部件的結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)行了柴油機(jī)冷啟動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和電路的總體設(shè)計(jì)，確定了柴油機(jī)冷啟動(dòng)系統(tǒng)由油箱加熱、油管加熱、蓄電池加熱三部分組成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，油箱加熱、油管加熱能保證提供啟動(dòng)時(shí)需要的液態(tài)油量；通過對蓄電池的加熱，改善蓄電池的啟動(dòng)性能，能其能保證足夠的啟動(dòng)電壓和滿足要求的啟動(dòng)大電流；而油箱內(nèi)油量的加熱則保證了油路供給足夠的油量，以達(dá)到汽車正常的續(xù)行，直至油箱內(nèi)柴油全部融化。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)巧妙，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，性能穩(wěn)定。但設(shè)備的試驗(yàn)與汽車實(shí)際工作環(huán)境還有一些差異，故還需要做進(jìn)一步細(xì)致的試驗(yàn)及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，才能將此設(shè)計(jì)應(yīng)用于汽車行業(yè)中。

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