柴油機(jī)冷起動(dòng)輔助措施的匹配優(yōu)化試驗(yàn)研究

張艷輝，于 翔（中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，長(zhǎng)春 130011）

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柴油機(jī)冷起動(dòng)輔助措施的匹配優(yōu)化試驗(yàn)研究

張艷輝，于 翔
（中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，長(zhǎng)春 130011）

摘要：重點(diǎn)論述了柴油機(jī)冷啟動(dòng)輔助裝置燃油加熱器的選型試驗(yàn)。對(duì)燃油加熱器優(yōu)劣的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了分析研究，提出了燃油加熱器的評(píng)價(jià)方法。最后通過(guò)樣本CFD分析，優(yōu)化了燃油加熱器與發(fā)動(dòng)機(jī)之間水路系統(tǒng)的匹配，實(shí)際效果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：冷起動(dòng)；燃油加熱器；選型試驗(yàn)；匹配優(yōu)化

前言

冷起動(dòng)性能是柴油機(jī)的重要性能之一，發(fā)動(dòng)機(jī)必須具備良好的冷起動(dòng)性能，才能保證車(chē)輛的低溫環(huán)境下的正常工作。從市場(chǎng)調(diào)查及發(fā)動(dòng)機(jī)整車(chē)標(biāo)定試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，在環(huán)境溫度-35 ℃以上條件下，車(chē)輛基本都能在設(shè)計(jì)目標(biāo)時(shí)間內(nèi)順利起動(dòng)成功。但在環(huán)境-40 ℃以下，如果車(chē)輛不加裝特殊的輔助起動(dòng)裝置，基本無(wú)法自然起動(dòng)。

1　燃油加熱器

燃油加熱器是目前普遍采用的一種輔助預(yù)熱裝置。它的工作原理是：油料在燃油加熱器的燃燒器內(nèi)燃燒，將熱量通過(guò)熱交換器傳遞給冷卻液來(lái)加熱發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)被加熱后，氣缸、活塞、活塞環(huán)以及各軸承的溫度升高，存在于這些摩擦副之間的機(jī)油溫度也隨之升高，降低了起動(dòng)阻力，增加了起動(dòng)轉(zhuǎn)速，從而提高了壓縮終了時(shí)的溫度與壓力，使發(fā)動(dòng)機(jī)很容易起動(dòng)。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(yàn)

2.1 選型產(chǎn)品

某項(xiàng)目在整車(chē)?yán)淦饎?dòng)方面開(kāi)發(fā)目標(biāo)定為：整車(chē)在-41 ℃環(huán)境條件下發(fā)動(dòng)機(jī)成功起動(dòng)。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)為CA6DL2-35E3R，在4款產(chǎn)品中進(jìn)行燃油加熱器選型試驗(yàn)。其中A和B產(chǎn)品為國(guó)外對(duì)標(biāo)產(chǎn)品，C和D是本次試驗(yàn)的選型樣本產(chǎn)品。選型試驗(yàn)的4款產(chǎn)品的具體參數(shù)如表1所示。

2.2 具體試驗(yàn)方案

1）將裝有發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)架置于環(huán)境倉(cāng)內(nèi)，環(huán)境倉(cāng)溫度設(shè)定在-41 ℃，經(jīng)同溫處理12 h以上，冷卻液溫度（發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度）和機(jī)油達(dá)到-40±1 ℃后方可進(jìn)行試驗(yàn)。

2）同溫處理滿足試驗(yàn)條件后，開(kāi)始試驗(yàn)。以起動(dòng)加熱器按鈕開(kāi)始計(jì)時(shí)，22 min后關(guān)閉加熱器，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

2.3 選型試驗(yàn)結(jié)果分析

1）冷卻液水溫度升溫效果

選型試驗(yàn)結(jié)束時(shí)刻，各冷卻液溫度測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

從燃油加熱器使用目的出發(fā)，加熱發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部機(jī)體是最終目的，所以在相同時(shí)間內(nèi)，以發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部機(jī)體加熱程度做為評(píng)價(jià)燃油加熱器性能好壞的最主要指標(biāo)。

用發(fā)動(dòng)機(jī)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(jù)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果比較，發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)低溫冷起動(dòng)的主要因素之一是起動(dòng)力矩，起動(dòng)前的蓄電池電量的多少，決定起動(dòng)力矩的大小。蓄電池電量的剩余量是評(píng)價(jià)燃油加熱器的另一個(gè)主要參數(shù)，表3中為試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)。耗電量從多到少依次是：C＞D＞B＞A。

注：用電量計(jì)算公式為=òVIDt Q

3）拖動(dòng)轉(zhuǎn)速

燃油加熱器工作22 min后，關(guān)閉加熱器，起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，對(duì)比4次選型試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)結(jié)果如表4所示。

拖動(dòng)轉(zhuǎn)速的高低直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)是否能順利起動(dòng)，從上述數(shù)據(jù)分析，4次試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的拖動(dòng)轉(zhuǎn)速，均已經(jīng)滿足發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)條件，通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比，最利于發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)條件依次為：B＞A＞D＞C。

表1　4款柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的具體參數(shù)

表2　各冷卻液溫度測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)

表3　柴油機(jī)耗電量試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)

表4　4次選型試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)結(jié)果對(duì)比

通過(guò)從冷卻液溫度、用電量和發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)驗(yàn)證3項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行比較，D樣品優(yōu)于C樣品，所以最終選擇D樣品。

3　D型燃油加熱器裝機(jī)后發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱性能的匹配優(yōu)化

燃油加熱器加熱效率、加熱器的耗電量等指標(biāo)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體的加熱效果，還與燃油加熱器與發(fā)動(dòng)機(jī)連接水路的匹配設(shè)計(jì)有很大關(guān)系。為了更好的優(yōu)化D型燃油加熱器的預(yù)熱性能，現(xiàn)進(jìn)行了D型燃油加熱器裝機(jī)匹配優(yōu)化。

3.1 燃油加熱器與發(fā)動(dòng)機(jī)的連接水路原方案（選型試驗(yàn)方案）

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

圖2b）中虛線表示燃油加熱器工作時(shí)的循環(huán)水路，燃油加熱器加熱的冷卻液從發(fā)動(dòng)機(jī)上部節(jié)溫器前端進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)，冷卻液在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體內(nèi)循環(huán)后，從水泵處加裝的出口流出，進(jìn)入加熱器進(jìn)水口，形成循環(huán)閉合回路。圖中實(shí)線表示發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)，節(jié)溫器關(guān)閉條件下，為內(nèi)部循環(huán)水路。

3.2 水路控制閥門(mén)

對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)總成來(lái)說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)出水口位于機(jī)體上端，發(fā)動(dòng)機(jī)入水口（水泵）位于機(jī)體下端，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體的循環(huán)水路與燃油加熱器工作的循環(huán)水路正好相反，所以在發(fā)動(dòng)機(jī)入水口（水泵）與燃油加熱器連接管路之間增加了控制閥門(mén)。在使用燃油加熱器前將此閥門(mén)打開(kāi)，燃油加熱器工作結(jié)束后，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)之前，此閥門(mén)必須關(guān)閉，防止發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，燃油加熱器內(nèi)水流逆向循環(huán)損壞燃油加熱器。

3.3 燃油加熱器的加熱效果

對(duì)比燃油加熱器進(jìn)出水溫差與發(fā)動(dòng)機(jī)缸體前、中和后表面溫度分布，22 min試驗(yàn)結(jié)束時(shí)刻數(shù)據(jù)如表5所示。

由表5可知以下兩點(diǎn)：

1） 燃油加熱器進(jìn)出水溫差比較大；

2）發(fā)動(dòng)機(jī)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(yàn)結(jié)束時(shí)刻數(shù)據(jù)

發(fā)動(dòng)機(jī)缸體表面溫度不均勻，初步分析由于燃油加熱器工作過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體內(nèi)的水流分配不合適造成的。由于機(jī)體內(nèi)的水流量分配不合適，出現(xiàn)局部升溫過(guò)快現(xiàn)象，同時(shí)環(huán)境溫度很低，加快了局部機(jī)體表面的散熱，散去的熱量過(guò)多，造成燃油加熱器進(jìn)水口溫度較低（體現(xiàn)在燃油加熱器進(jìn)出水溫差比較大）。

3.4 燃油加熱器與發(fā)動(dòng)機(jī)連接水路系統(tǒng)的優(yōu)化

3.4.1 選型試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)水路分析

從選型試驗(yàn)燃油加熱器與發(fā)動(dòng)機(jī)連接水路進(jìn)行分析，此工程應(yīng)用屬于流體力學(xué)中的并聯(lián)管路水流量分配原理。

圖3　選型方案并聯(lián)水路示意圖

將發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部水路簡(jiǎn)化成小循環(huán)水路、缸蓋水套、缸體水套和機(jī)油冷卻器水套如圖2b）所示。

選型試驗(yàn)中的水路布置分配如圖3所示。

a點(diǎn)上流量為：

并聯(lián)節(jié)點(diǎn)a、b間的阻力損失，從能量平衡觀點(diǎn)來(lái)看，無(wú)論是1支路還是2支路均等于a、b兩節(jié)點(diǎn)的壓頭差。

設(shè)S為并聯(lián)管路的總阻抗，Q為總流量：

將上式整理得出：

于是得到并聯(lián)管路計(jì)算原則：并聯(lián)節(jié)點(diǎn)上的總流量為各支管中流量之和；并聯(lián)各支管上的阻力損失相等?？偟淖杩蛊椒礁箶?shù)等于各支管阻抗平方根倒數(shù)之和。

進(jìn)一步分析式（4），將它變?yōu)椋?/p>

此式即為并聯(lián)管路流量分配規(guī)律。它的意義在于，各分支管路的管段幾何尺寸、局部構(gòu)件確定后，按照節(jié)點(diǎn)間各分支管路的阻力損失相等，來(lái)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(yàn)得出發(fā)動(dòng)機(jī)缸體表面加熱不均勻，此現(xiàn)象是由于發(fā)動(dòng)機(jī)水路循環(huán)系統(tǒng)中，兩條并聯(lián)管路水流量分配有差異造成的，即是兩條并聯(lián)管路中阻抗有明顯大小差異。

3.4.2 發(fā)動(dòng)機(jī)水路計(jì)算分析

為了明確發(fā)動(dòng)機(jī)水套內(nèi)部各部分的壓力分布，進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)CFD分析。

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

圖4　壓降結(jié)果

機(jī)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(huán)水路部分壓降：0.02 bar

從分析結(jié)果可以得出，以上四部分水路的阻力比值關(guān)系如下：

小循環(huán)水路：機(jī)冷器水套：缸體水套：

缸蓋水套=1：7：13.5：25。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)水路結(jié)構(gòu)是固定的，水路個(gè)部分阻力的比值不會(huì)隨水流量的變化而變化，所以此阻力關(guān)系可以應(yīng)用在燃油加熱器水路匹配關(guān)系中。

3.4.3 燃油加熱器水路匹配

根據(jù)CFD計(jì)算結(jié)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(yán)重失衡。通過(guò)調(diào)整小循環(huán)水路、缸蓋水套、缸體水套和機(jī)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(lái)優(yōu)化并聯(lián)管路，使燃油加熱器的加熱效果達(dá)到最佳狀態(tài)。

通過(guò)更改發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體部分磨具，重新確定了燃油加熱器與發(fā)動(dòng)機(jī)連接的進(jìn)出水口的位置，見(jiàn)圖5。

圖5a）中圈1標(biāo)記為加熱器進(jìn)水口，圈2標(biāo)記為加熱器出水口。示意圖中虛線表示優(yōu)化后的燃油加熱器工作循環(huán)水路。示意圖如圖6表示。

重新布置后并聯(lián)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(dá)到平衡；同時(shí)由發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體后端入水，使得燃油加熱器工作的循環(huán)水路與發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體的循環(huán)水路方向相同，取消了水路控制閥門(mén)，不用擔(dān)心由于誤操作而使得燃油加熱器損壞，一舉兩得。

3.5 優(yōu)化后的開(kāi)發(fā)驗(yàn)證性試驗(yàn)

按照優(yōu)化后的設(shè)計(jì)，重新制作了發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架。按照選型試驗(yàn)的試驗(yàn)方法進(jìn)行了低溫環(huán)境臺(tái)架試驗(yàn)，具體試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

從試驗(yàn)結(jié)果上看，燃油加熱器的進(jìn)出水溫差在5-6℃之間，比選型試驗(yàn)降低了5 ℃，而發(fā)動(dòng)機(jī)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(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題。

圖5　改進(jìn)方案的照片及水路示意圖

圖6　改進(jìn)方案并聯(lián)水路示意圖

4　結(jié)束語(yǔ)

在整車(chē)匹配燃油加熱器項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中，通過(guò)燃油加熱器選型試驗(yàn)，根據(jù)冷卻液水溫度升溫效果、耗電量、拖動(dòng)轉(zhuǎn)速等評(píng)價(jià)條件，選擇了D型燃油加熱器。并通過(guò)流體力學(xué)中的并聯(lián)管路水流量分配原理，CFD分析燃油加熱器和發(fā)動(dòng)機(jī)連接水路，及不同水路結(jié)構(gòu)對(duì)燃油加熱器加熱效果的影響差異，優(yōu)化選型試驗(yàn)的循環(huán)水路結(jié)構(gòu)?？偨Y(jié)出以下兩方面結(jié)論：

1）確立了燃油加熱器的評(píng)價(jià)方法，明確了評(píng)價(jià)燃油加熱器性能的技術(shù)參數(shù)；

2）通過(guò)CFD分析發(fā)動(dòng)機(jī)水套各部分的壓降，以流體力學(xué)中的并聯(lián)管路水流量分配原理為依據(jù)，優(yōu)化燃油加熱器與發(fā)動(dòng)機(jī)的水路聯(lián)接，使得燃油加熱器的作用發(fā)揮到最大。

表6　優(yōu)化后的開(kāi)發(fā)驗(yàn)證性試驗(yàn)結(jié)果

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張艷輝（1965-），女，碩士，高級(jí)工程師，主要從事整車(chē)試驗(yàn)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(jiǎn)介:

中圖分類(lèi)號(hào)：U467.2+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-7204（2016）01-0047-06