尾氣加熱器引起防凍液變質(zhì)的原因分析及改進(jìn)措施

何國(guó)華

(金華青年汽車制造有限公司， 浙江 金華 321016)

天然氣被作為繼煤炭、石油之后的第三大能源，隨著CNG、LNG發(fā)動(dòng)機(jī)[1]在汽車市場(chǎng)上的普遍應(yīng)用，其低成本、低排放、抑制溫室效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，成為汽車工業(yè)的一個(gè)重要發(fā)展方向。

在客車市場(chǎng)，由于部分車載燃?xì)饧訜崞鞯脑肼暣?、可靠性低、維護(hù)專業(yè)性強(qiáng)、成本高、安全性差等缺點(diǎn)[2]，不能被廣泛地推廣及應(yīng)用。

1 現(xiàn)象及原因分析

目前，公交市場(chǎng)普遍采用一款典型的尾氣加熱器，原理如圖1所示，從發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)內(nèi)取水，進(jìn)入尾氣加熱器，防凍液在經(jīng)過(guò)如圖2所示的尾氣加熱器內(nèi)盤管時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)排出的高溫尾氣對(duì)盤管內(nèi)的防凍液加熱，再由管路循環(huán)將熱量傳遞到車廂內(nèi)，通過(guò)散熱器、除霜器散發(fā)熱量，供車廂采暖和前風(fēng)擋玻璃除霜[3]。但普遍存在一個(gè)問(wèn)題，在冬季使用過(guò)程中，運(yùn)營(yíng)20 000 km左右即出現(xiàn)防凍液變質(zhì)、發(fā)黑、發(fā)臭的問(wèn)題，失去了發(fā)動(dòng)機(jī)防凍液固有的基本功效，也對(duì)環(huán)境造成了污染。采用更換防凍液、清洗系統(tǒng)管路、更換管路系統(tǒng)零部件等方法，不僅不能徹底解決問(wèn)題，而且造成很大的工作量和不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

圖2 尾氣加熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

防凍液變質(zhì)現(xiàn)象及原因分析如下：

1) 車用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液[4]，即防凍液，是由純凈水、乙二醇及少量添加劑組成，沸點(diǎn)一般在107～108 ℃，極限溫度約115 ℃，使用壽命為2～3年。觀察防凍液的外觀、辨別其氣味，進(jìn)行直觀判別[5]，防凍液應(yīng)透明、無(wú)沉淀、無(wú)異味。如果發(fā)現(xiàn)外觀渾濁，氣味異常，說(shuō)明防凍液已嚴(yán)重變質(zhì)，無(wú)法達(dá)到防凍、防腐的性能要求[6]，應(yīng)立即停止使用。

2) 因天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)自身的燃燒特性[7]，使得其排氣溫度比柴油發(fā)動(dòng)機(jī)要高約200～300 ℃(柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度一般在300～400 ℃，燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度一般不超過(guò)600 ℃)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出防凍液的極限溫度，這是引起防凍液變質(zhì)的外界因素。

傳統(tǒng)尾氣加熱器由于自身結(jié)構(gòu)存在的缺陷，內(nèi)部通有防凍液的盤管，始終被發(fā)動(dòng)機(jī)排出的高溫尾氣包圍，熱交換效率無(wú)法有效控制，容易造成高溫防凍液變質(zhì)，主要發(fā)生在以下幾個(gè)階段：

1) 冬季，車輛在運(yùn)行時(shí)，若循環(huán)水泵未及時(shí)打開(kāi)或循環(huán)水泵因故障停止工作，會(huì)造成防凍液未及時(shí)流出尾氣加熱器而被過(guò)度加熱，使加熱器盤管內(nèi)的防凍液因高溫而變質(zhì)、汽化。

2) 春秋季，在環(huán)境溫度忽高忽低的情況下，有時(shí)僅靠發(fā)動(dòng)機(jī)自身產(chǎn)生的熱量，通過(guò)防凍液循環(huán)就可以滿足車輛所需供熱，尾氣加熱器進(jìn)水口球閥和出水口球閥處于關(guān)閉狀態(tài)，尾氣加熱器內(nèi)部盤管內(nèi)殘留的防凍液在密封環(huán)境內(nèi)被過(guò)度加熱而變質(zhì)、碳化。當(dāng)再次打開(kāi)進(jìn)、出水口的球閥，使用尾氣加熱器時(shí)，變質(zhì)的防凍液被循環(huán)進(jìn)入冷卻管路系統(tǒng)，反復(fù)多次操作后，造成系統(tǒng)內(nèi)防凍液嚴(yán)重污染，并產(chǎn)生嚴(yán)重異味。

3) 夏季，在不使用尾氣加熱器的情況下，由于進(jìn)水口球閥和出水口球閥經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用，因高溫和老化，密封件密封性能下降，防凍液通過(guò)球閥滲入尾氣加熱器，被高溫加熱后變質(zhì)、碳化。

通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)、原理及現(xiàn)象的分析，以及大量的測(cè)試驗(yàn)證，最終發(fā)現(xiàn)：在傳統(tǒng)的尾氣加熱器內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣高溫氣體和加熱盤管之間的熱量傳遞無(wú)法得到有效控制，造成對(duì)盤管內(nèi)防凍液過(guò)度加熱，是防凍液變質(zhì)、發(fā)黑、發(fā)臭的根本原因。

2 改進(jìn)措施

通過(guò)上述分析，需對(duì)傳統(tǒng)的尾氣加熱器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)?；驹恚涸诩訜崞髑岸嗽黾觾善瑘A形法蘭，法蘭上各有兩組通氣孔，如圖3右側(cè)視圖。一片為靜止法蘭，固定在加熱器外殼上；另一片為轉(zhuǎn)動(dòng)法蘭，固定在排氣管上。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)法蘭的外圈通氣孔與靜止法蘭的外圈通氣孔重合時(shí)，兩法蘭的內(nèi)圈通氣孔完全錯(cuò)位，氣流僅從外圈通氣孔通過(guò)；當(dāng)兩法蘭的內(nèi)圈通氣孔重合時(shí)，外圈通氣孔完全錯(cuò)位，氣流僅能從內(nèi)圈通氣孔通過(guò)；轉(zhuǎn)動(dòng)法蘭靠固定在加熱器殼體上的推動(dòng)氣缸推動(dòng)[8]，氣缸接入整車氣路系統(tǒng)的輔助儲(chǔ)氣罐，管路內(nèi)安裝一個(gè)兩位三通電磁閥，加熱器出水口安裝溫度傳感器，由溫度傳感器提供信號(hào)控制電磁閥工作。

當(dāng)車廂需要供暖時(shí)，開(kāi)啟尾氣加熱器的進(jìn)水口閥門和出水口閥門，開(kāi)啟尾氣加熱器開(kāi)關(guān)，兩位三通電磁閥及循環(huán)水泵處于常電狀態(tài)。

1)當(dāng)加熱器出水口溫度低于68 ℃時(shí)，兩位三通電磁閥工作，整車氣路系統(tǒng)的壓縮空氣推動(dòng)氣缸工作，帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)法蘭轉(zhuǎn)動(dòng)，氣流從外圈進(jìn)入加熱腔，對(duì)盤管內(nèi)的防凍液進(jìn)行加熱。加熱后的防凍液被循環(huán)水泵輸送到車廂內(nèi)的散熱器及除霜器里。排氣氣流走向如圖3和圖4所示。

圖3 尾氣加熱器結(jié)構(gòu)原理(加熱狀態(tài))

圖4 尾氣加熱器內(nèi)廢氣走向(加熱狀態(tài))

2)當(dāng)加熱器出水口溫度高于81 ℃時(shí)，兩位三通電磁閥斷電，控制氣缸復(fù)位，推動(dòng)旋轉(zhuǎn)法蘭復(fù)位，氣流從內(nèi)圈通氣孔直接進(jìn)入排氣管，不經(jīng)過(guò)加熱腔，直接經(jīng)排氣管路排出。排氣氣流走向如圖5和圖6所示。

3)當(dāng)季節(jié)變換，環(huán)境溫度上升，車廂內(nèi)長(zhǎng)期不需要加熱時(shí)，加熱器開(kāi)關(guān)復(fù)位，兩位三通電磁閥常斷電，循環(huán)水泵停止工作，關(guān)閉進(jìn)水口閥門和出水口閥門，發(fā)動(dòng)機(jī)排出的高溫尾氣直接從排氣管排出，不經(jīng)過(guò)盤管加熱腔，也不會(huì)造成防凍液的高溫。排氣氣流走向如圖5和圖6所示。

圖5 尾氣加熱器結(jié)構(gòu)原理(非加熱狀態(tài))

圖6 尾氣加熱器內(nèi)廢氣走向(非加熱狀態(tài))

3 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)改進(jìn)尾氣加熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，改變高溫排氣的走向，控制發(fā)動(dòng)機(jī)高溫排氣和盤管內(nèi)防凍液的熱交換時(shí)間，使得經(jīng)過(guò)尾氣加熱器的防凍液溫度一直控制在81 ℃左右，有效地預(yù)防防凍液過(guò)熱問(wèn)題，使尾氣加熱器的優(yōu)點(diǎn)得以充分發(fā)揮[9-10]。

[1] 郭子銳，鄧康耀，曲栓，等.氣體發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展[J].柴油機(jī)，2011，33(6):3-9.

[2] 劉冬.QC/T《汽車燃?xì)饧訜崞鳌窐?biāo)準(zhǔn)的研究與制定[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2006.

[3] 中華人民共和國(guó)交通部.客車空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)條件:JT/T 216-2006[S].北京：人民交通出版社，2006:5.

[4] 全國(guó)汽車維修標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液:GB 29743-2013[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2013:9.

[5] 孫迎久.汽車防凍液的使用與真假鑒別[J].汽車運(yùn)用，2015，36(1):35.

[6] 李德生,譚國(guó)斌,岳巍強(qiáng).汽車防凍液基本功能與使用注意事項(xiàng)[J].汽車運(yùn)用，2009，30(6):35-36.

[7] 劉崢.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011：24.

[8] 李新德.氣動(dòng)元件與系統(tǒng)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2015：281.

[9] 申福林，劉冬.尾氣加熱器在客車應(yīng)用的利弊：2005年中國(guó)客車學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C].西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2005:167-170.

[10] 張勇，申福林，趙重文.國(guó)內(nèi)外汽車燃油加熱器技術(shù)比較及發(fā)展[J].客車技術(shù)與研究,2001,23(6):8-9.