分層電加熱裝置對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)能效的研究

李志磊

Li Zhilei

（武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

分層電加熱裝置對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)能效的研究

李志磊

Li Zhilei

（武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

在中國(guó)高緯度地區(qū)，冬天溫度可達(dá)零下20 ℃，發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱暖機(jī)時(shí)間長(zhǎng)。傳統(tǒng)的燃油加熱器燃油消耗量大、體積大，電加熱器具有零排放、無(wú)污染、空間占位小等優(yōu)點(diǎn)，但是受限于電池功率，電加熱裝置加熱時(shí)間較長(zhǎng)，系統(tǒng)流道阻力較大。在電加熱裝置功率一定的前提下，通過(guò)設(shè)計(jì)分層加熱結(jié)構(gòu)和低流阻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合冷卻循環(huán)流量的控制，顯著降低發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)熱時(shí)間。針對(duì)特定發(fā)動(dòng)機(jī)的水冷循環(huán)結(jié)構(gòu)，研究不同進(jìn)出口溫度條件下，分層加熱時(shí)間隨流量變化的規(guī)律，建立分層電加熱裝置的傳熱模型；進(jìn)行加熱系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)水套的聯(lián)合工況的性能分析。電加熱裝置結(jié)構(gòu)緊湊，布置方便，可使發(fā)動(dòng)機(jī)的暖機(jī)時(shí)間縮短2～3 min，并可減少發(fā)動(dòng)機(jī)的冷啟動(dòng)排放。

電加熱；傳熱；建模；仿真

0 引 言

高緯度地區(qū)冬季比較寒冷，氣溫通常會(huì)比較低，停車場(chǎng)的位置較緊張，很多汽車就會(huì)停放在室外，而室外溫度通常在零下十幾攝氏度甚至零下幾十?dāng)z氏度。在這樣的低溫條件下，車輛的啟動(dòng)會(huì)很困難，同時(shí)低溫啟動(dòng)會(huì)對(duì)車輛的使用性能產(chǎn)生很大的負(fù)面影響，甚至影響使用壽命。駐車加熱器的出現(xiàn)，使汽車低溫冷啟動(dòng)的危害得到改善。隨著近年來(lái)人們對(duì)乘車舒適性的要求不斷提高，駐車加熱器的應(yīng)用變得越來(lái)越廣泛。

在低溫環(huán)境下，分層電加熱器通過(guò)設(shè)計(jì)分層結(jié)構(gòu)，可以將冷卻液一層層加熱，有效縮短了發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)時(shí)間，能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)迅速進(jìn)入正常工況，為人們的出行提供了很大的便利。

1 裝置描述

在北方寒冷的冬季，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，冷卻液溫度很低，經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸壁傳熱溫度升高的冷卻液流經(jīng)電加熱裝置后溫度繼續(xù)升高，被加熱的冷卻液流進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體，這樣使得循環(huán)流動(dòng)的冷卻液溫度升高較單獨(dú)靠發(fā)動(dòng)機(jī)自身傳熱升高得快。電加熱裝置在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中的布置［1］如圖 1所示，其布置于暖風(fēng)機(jī)進(jìn)水軟管管路上。

圖1 電加熱裝置布置圖

其工作原理：在寒冷季節(jié)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，打開暖機(jī)開關(guān)，冷卻液在水泵的作用下經(jīng)暖機(jī)進(jìn)水軟管流經(jīng)電加熱裝置后，經(jīng)出水軟管流進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)水套；由于冷卻液的循環(huán)速度快，所以這種預(yù)熱器的功率很大，使預(yù)熱速度顯著提高，預(yù)熱時(shí)間顯著縮短，熱損失和耗電量降低。

為了縮短加熱時(shí)間，將加熱裝置分為 3層，如圖2所示。第1層電熱絲功率最大，功率依次遞減，第3層功率最小。第1層的冷卻液最先加熱，先流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖2 電加熱裝置分層結(jié)構(gòu)

2 模型的建立

研究?jī)?nèi)容涉及發(fā)動(dòng)機(jī)熱容模型、機(jī)體給冷卻液傳熱模型、冷卻液給機(jī)體反向傳熱模型以及機(jī)體壁面與空氣導(dǎo)熱模型。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)熱容模型

某車型的發(fā)動(dòng)機(jī)水套容積為V，防凍液溫度由環(huán)境溫度T1升高到發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)溫度T2時(shí)，按容積計(jì)算防凍液需求熱量為

式中，Qcoolant為防凍液需求熱量，kJ；Ccoolant為防凍液比熱，kJ/（kg·K）；ρ為防凍液密度，kg/m3；V為防凍液體積，L；ΔT1為防凍液溫差，K。

某車型選擇一定功率的電加熱裝置，考慮加熱器放熱量 60%被冷卻液吸收，則發(fā)動(dòng)機(jī)低溫啟動(dòng)所需時(shí)間為

即

式中，P為電加熱器額定放熱量，kW；t為電加熱時(shí)間，min。

同理，可以得到發(fā)動(dòng)機(jī)的熱容模型［1］

式中，QEngine為發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體容納的熱量，kJ；m為發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量，kg；ΔT2為機(jī)體溫差，K；CEngine為發(fā)動(dòng)機(jī)比熱，kJ/（kg·K），機(jī)體比熱與機(jī)體材料、機(jī)體質(zhì)量等因素有關(guān)。

發(fā)動(dòng)機(jī)屬于熱機(jī)，因此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)分析時(shí)，將發(fā)動(dòng)機(jī)作為熱流源來(lái)考慮。發(fā)動(dòng)機(jī)與冷卻液的熱交換特性可以用發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和對(duì)應(yīng)功率的函數(shù)來(lái)表示［2］

式中，H為發(fā)動(dòng)機(jī)殼體與發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部冷卻管路的熱交換量；nE為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；PE為對(duì)應(yīng)nE下的發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率。

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的熱容單元主要用來(lái)計(jì)算熱流體在通過(guò)定熱容單元時(shí)的溫度T和壓力P，其微分方程可表示為［2］

式中，dH為進(jìn)入該容積的熱量；cρ為流體的比熱，可以根據(jù)流體的工作壓力和溫度得到；ρ為流體的密度；dp/dt為壓力相對(duì)時(shí)間的微分；V為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻管路的容積。

進(jìn)入該容積的熱量dH可以細(xì)分為

式中，dmh1和dmh2為進(jìn)入到單元體內(nèi)的熱流量；dh為單元體與外界的熱交換量；dm1和 dm2為進(jìn)入單元體內(nèi)的質(zhì)量流量；h為冷卻液的熱量。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)模型的建立

研究的發(fā)動(dòng)機(jī)模型包含機(jī)體給冷卻液傳熱模型，冷卻液給機(jī)體傳熱模型和機(jī)體與空氣導(dǎo)熱模型3個(gè)。

2.2.1 機(jī)體給冷卻液傳熱模型

發(fā)動(dòng)機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)，冷卻液溫度很低，由于電加熱器剛工作，冷卻液溫升不如發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體給冷卻液的加熱，此時(shí)，機(jī)體給冷卻液傳熱。

一般來(lái)說(shuō)，傳熱過(guò)程包括串聯(lián)著的3個(gè)環(huán)節(jié)：

1）從熱流體到壁面高溫側(cè)的熱量傳遞；

2）從壁面高溫側(cè)到壁面低溫側(cè)的熱量傳遞，即穿過(guò)固體壁的導(dǎo)熱；

3）從壁面低溫側(cè)到冷流體的熱量傳遞。

由于是穩(wěn)態(tài)過(guò)程，通過(guò)串聯(lián)著的每個(gè)環(huán)節(jié)的熱流量Ф應(yīng)該是相同的。設(shè)機(jī)體壁面表面積為A，熱流量表達(dá)式為

式中，A為機(jī)體壁面積，m2；T4為此時(shí)冷卻液溫度，K；T3為此時(shí)機(jī)體壁面溫度，K；k為傳熱系數(shù)，W/（m2·K），是表征傳熱過(guò)程強(qiáng)烈程度的標(biāo)尺，傳熱過(guò)程越強(qiáng)，傳熱系數(shù)越大，反之則越小。傳熱系數(shù)的大小不僅取決于參與傳熱過(guò)程的流體種類，還與過(guò)程本身有關(guān)，如流速的大小、有無(wú)相變等。

2.2.2 冷卻液給機(jī)體反向傳熱模型

發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速功率很低，電加熱器迅速給冷卻液加熱，冷卻液溫升快，此時(shí)，冷卻液反過(guò)來(lái)給機(jī)體傳熱。其傳熱過(guò)程與2.2.1分析過(guò)程相反，熱流量為

式中，A為機(jī)體壁面積，m2；T5為此時(shí)冷卻液溫度，K；T6為此時(shí)機(jī)體壁面溫度，K；k為傳熱系數(shù)，W/（m2·K）。

2.2.3 機(jī)體壁面與空氣導(dǎo)熱模型

發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體迅速升溫，此時(shí)，壁面對(duì)空氣傳熱。此過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)產(chǎn)生熱量，而且冷卻液繼續(xù)給機(jī)體加熱，但此過(guò)程中機(jī)體將與外界傳熱，當(dāng)冷卻液與機(jī)體的溫度相等為T4時(shí)，該過(guò)程結(jié)束。在此過(guò)程中外界環(huán)境可以看作是一個(gè)恒溫系統(tǒng)。

由導(dǎo)熱基本定律［3］，熱流密度的表達(dá)式為

在穩(wěn)態(tài)過(guò)程中，垂直于 x軸的任一截面上導(dǎo)熱量都是相等的。將式（13）對(duì)x作從0到δ的積分，得

式（16）為當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)時(shí)一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的熱量計(jì)算式。

式（13）—式（16）中，λ為導(dǎo)熱系數(shù)；T為溫度，K；T1為機(jī)體溫度，K；T2為環(huán)境溫度，K；δ為機(jī)體壁平均厚度，m。

2.3 電加熱器—發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合模型

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)基本原理如圖 3所示。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)時(shí)，冷卻液的溫度較低，這時(shí)節(jié)溫器將冷卻液流向散熱器的通道關(guān)閉，使冷卻液經(jīng)水泵入口直接流入機(jī)體或者氣缸蓋水套，以便使冷卻液迅速升溫，這就是所謂的“小循環(huán)”；當(dāng)冷卻液溫度達(dá)到規(guī)定值后，石蠟開始融化逐漸變成液體，節(jié)溫器閥開啟，這時(shí)冷卻液經(jīng)由散熱器和節(jié)溫器閥，再經(jīng)過(guò)水泵流回發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)行“大循環(huán)”［4-5］。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)

基于AMEsim的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)模型如圖4所示。先建立簡(jiǎn)單的冷卻系統(tǒng)模型，然后在此基礎(chǔ)上建立加熱裝置模型，加熱裝置模型布置在發(fā)動(dòng)機(jī)出水端。圖4中k為0，表示不給加熱裝置加熱，也就是未設(shè)置加熱裝置的冷卻系統(tǒng)。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)模型

圖5是基于AMEsim的電加熱器和發(fā)動(dòng)機(jī)的聯(lián)合模型，圖6是heater集成模型的內(nèi)容。由圖6可知，設(shè)置1個(gè)k為1 000，其余2個(gè)為0，表示分1層；2個(gè)k為1 000，1個(gè)k為0，表示分2層；3個(gè)k均為1 000，表示分3層。

圖5 電加熱器-發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合模型

圖6 加熱器子模型

3 仿真分析

對(duì)所搭建的仿真模型給定加熱器功率為1 000 W進(jìn)行仿真分析。

3.1 參數(shù)設(shè)置

仿真中對(duì)冷卻系統(tǒng)的工作過(guò)程做出如下假設(shè)［6-8］：

1）仿真時(shí)認(rèn)為，冷卻液在流動(dòng)時(shí)，冷卻系統(tǒng)中不同位置的散熱強(qiáng)度是均勻的，所以在冷卻液流動(dòng)過(guò)程中，系統(tǒng)中同一個(gè)管路中的各個(gè)地方的溫度都是一樣的，沒有溫差存在，也就是各部件的溫度是均勻的；

2）冷卻液在冷卻系統(tǒng)中的流動(dòng)方向只有一個(gè)；

3）系統(tǒng)中冷卻水泵的作用主要是提供冷卻液流動(dòng)動(dòng)力，本身的散熱作用非常小，因此在建模過(guò)程中沒有考慮冷卻水泵的散熱性。研究所采用的某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)［9］見表1，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)主要參數(shù)見表2。

表1 某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

表2 冷卻系統(tǒng)主要參數(shù)

3.2 仿真結(jié)果

仿真結(jié)果如圖7—圖9所示。圖中淺色實(shí)線代表的是未安裝加熱裝置時(shí)，冷卻液溫度從-20 ℃上升到90 ℃所需時(shí)間；深色實(shí)線代表的是安裝加熱裝置后，冷卻液溫度從-20 ℃上升到90 ℃所需時(shí)間。其中，圖7—圖9分別為加熱裝置分1—3層時(shí)，加熱時(shí)間的對(duì)比曲線。

圖7 加熱裝置分1層時(shí)，加熱時(shí)間對(duì)比曲線

圖8 加熱裝置分2層時(shí)，加熱時(shí)間對(duì)比曲線

圖9 加熱裝置分3層時(shí)，加熱時(shí)間對(duì)比曲線

4 結(jié) 論

研究首先對(duì)整個(gè)電加熱裝置進(jìn)行描述，然后建立發(fā)動(dòng)機(jī)的模型以及電加熱裝置和發(fā)動(dòng)機(jī)的聯(lián)合模型，最后進(jìn)行仿真分析，得到如下結(jié)論。

通過(guò)仿真結(jié)果可知，冷卻液溫度從-20℃升高到90 ℃，未安裝加熱裝置時(shí)，需要400 s；將加熱裝置分為1層時(shí)，需要330 s；分為2層時(shí)，需要280 s；分為3層時(shí)，需要250 s。

由此可知，在高緯度地區(qū)寒冷的冬季，裝備加熱裝置后，冷卻液達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需溫度的時(shí)間會(huì)有所縮短，當(dāng)加熱裝置被分為2層時(shí)，能縮短2 min；分為3層時(shí)，能縮短2.5 min。

研究對(duì)減少發(fā)動(dòng)機(jī)的排污量，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命具有實(shí)際的意義。同時(shí)，也為后續(xù)研究發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)提供了一定的方法和資料。

［1］陶文銓. 傳熱學(xué)［M］. 西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2006.

［2］譚罡風(fēng). 重型汽車動(dòng)力傳動(dòng)系熱管理系統(tǒng)研究［D］. 武漢：武漢理工大學(xué)，2011.

［3］Lui， C. Electric Thermal Management Architectures ［J］. SAE Technical Paper 2013-01-2164.

［4］C S.， Sundaram V.， S S.. Simulation of Split Engine Cooling System ［J］. SAE Technical Paper 2015-26-0196.

［5］Confer K A， Kirwan J.， Engineer N.. Development and Vehicle Demonstration of a Systems-Level Approach to Fuel Economy Improvement Technologies ［J］. SAE Technical Paper 2013-01-0280.

［6］晉世強(qiáng). 駐車加熱器在商用車上的應(yīng)用及試驗(yàn)研究［D］. 濟(jì)南：山東大學(xué)，2013.

［7］Cooling system standards committee. Laboratory Testing of Vehicle and Industrial Heat Exchangers for Heat Transfer and Pressure Drop Performance ［J］. SAE J， 1994.

［8］Arici O.， Johnson J.， Kulkarni A.. The Vehicle Engine Cooling System Simulation Part 1 - Model Development ［J］. SAE Technical Paper 1999-01-0240， 1999.

［9］佘翔. 基于 AMESim的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)仿真分析［D］. 西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2014.

U464.142+3

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2016.05.002

1002-4581（2016）05-0003-05

2016-03-11