某商用車柴油濾清器的加熱器優(yōu)化開發(fā)及驗(yàn)證

勞金平

（河北億利橡塑集團(tuán)有限公司，清河 054800）

主題詞： 柴油濾清器 加熱器 加熱性能 試驗(yàn)驗(yàn)證 冷起動(dòng)

1 前言

在我國(guó)東北地區(qū)，冬季平均氣溫為-20℃左右，黑龍江地區(qū)冬季最低平均溫度能達(dá)到-30℃，在這樣的低溫環(huán)境下，以柴油為燃料的汽車若未按規(guī)定牌號(hào)使用適合的柴油，則將出現(xiàn)起動(dòng)困難甚至無(wú)法起動(dòng)的情況，常常需要安裝汽車加熱器來解決低溫起動(dòng)的問題[1]。由于發(fā)動(dòng)機(jī)各相關(guān)系統(tǒng)的加熱要求不同，因此各零部件的加熱方式亦不盡相同。

柴油作為商用車發(fā)動(dòng)機(jī)的主要燃料，其粘度及品質(zhì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行有很大影響。某一標(biāo)號(hào)柴油，粘度與外界溫度的關(guān)系非常緊密。溫度越低則柴油粘度越大，溫度越高則柴油粘度越小，柴油的粘度決定柴油的流動(dòng)性，進(jìn)而影響整車的供油系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)的各種性能[2]。

常用的柴油加熱方法有：明火加熱或用熱水加熱油箱、濾清器和油管，使柴油解凍后再起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，這種方法即費(fèi)時(shí)又存在極大的安全隱患；通常應(yīng)選擇高牌號(hào)的柴油，降低凝點(diǎn)，但由于北方地區(qū)溫度變化快，當(dāng)環(huán)境溫度突然降低很多時(shí)，柴油如果不及時(shí)更換，就會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)供油不足或斷油的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)不能正常工作；采用添加抗凝劑或脫蠟處理的方法提高柴油牌號(hào)，成本高且流程復(fù)雜[3]；采用電阻絲加熱，需要電阻絲直接與柴油接觸，電阻絲表面高溫，柴油受熱不均勻，局部過熱容易將柴油點(diǎn)燃，引起油箱爆炸，安全性不能保證[4]。

對(duì)于柴油濾清器來說，內(nèi)部柴油的溫度若低于冷濾點(diǎn)則阻力會(huì)增大，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)供油不足、抖動(dòng)等異?，F(xiàn)象；若柴油溫度低于其冷凝點(diǎn)，則會(huì)隨著溫度的降低逐步結(jié)蠟，從而使柴油濾清器濾材堵塞，柴油無(wú)法通過濾材到達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)，因此會(huì)產(chǎn)生斷油現(xiàn)象，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法正常起動(dòng)。

柴油濾清器的加熱器位于燃油供給系統(tǒng)中柴油濾清器內(nèi)，其加熱性能對(duì)保證燃油供給系統(tǒng)正常運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。

2 加熱器優(yōu)化方案

車用柴油濾清器的加熱器一般采用外置加熱和內(nèi)置加熱兩種方式，內(nèi)置加熱器較外置加熱器熱效率高，從而降低加熱時(shí)間及電耗，并且結(jié)構(gòu)緊湊，便于整車總體布置。某商用車柴油濾清器在整車燃油供給系統(tǒng)中布置位置如圖1所示。

圖1 燃油供給系統(tǒng)示意

2.1 加熱元件選擇

采用PTC熱敏電阻作為加熱元件，無(wú)明火加熱，解決了以往技術(shù)和發(fā)明專利中電加熱器和電阻絲發(fā)熱不均勻、加熱效率低、安全性不能保證的問題[4]；即使在溫度控制器失效的情況下，也能確保不會(huì)產(chǎn)生局部過熱超過柴油的燃點(diǎn)，因此PTC和溫度控制器的雙重保險(xiǎn)，使得安全性得以保證。

2.2 結(jié)構(gòu)及總體布置設(shè)計(jì)

采用與原有不同結(jié)構(gòu)及布置位置的柴油濾清器積水杯加熱器，同時(shí)在不改變?cè)屑訜崞鞴牡那疤嵯率辜訜嵝阅艿玫礁纳?，如圖2～圖5所示。

圖2 環(huán)形加熱器結(jié)構(gòu)

圖3 環(huán)形加熱器布置

圖4 積水杯加熱器結(jié)構(gòu)

圖5 積水杯加熱器布置

2.3 加熱性能優(yōu)化目標(biāo)

考慮客戶在低溫條件下對(duì)加熱性能的需求，采用2種不同結(jié)構(gòu)及布置位置的試件裝入相同柴油濾清器內(nèi)，同時(shí)濾清器內(nèi)充滿0號(hào)柴油，在-27℃±2℃條件下冷凍12 h后，起動(dòng)加熱器，進(jìn)行臺(tái)架模擬對(duì)比驗(yàn)證，目標(biāo)性能參數(shù)見表1。

表1 臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)性能參數(shù)

在模擬臺(tái)架試驗(yàn)后，在-15℃環(huán)境溫度下，兩種加熱器進(jìn)行整車對(duì)比試驗(yàn)，目標(biāo)性能參數(shù)見表2。

表2 整車試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)性能參數(shù)

3 臺(tái)架試驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架搭建

采用表3所示實(shí)驗(yàn)設(shè)備及某商用車輸油泵模擬整車油路布置情況，按照如圖6所示進(jìn)行試驗(yàn)臺(tái)架的搭建。

表3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備參數(shù)

圖6 柴油濾清器油路示意

3.2 臺(tái)架試驗(yàn)

濾清器內(nèi)充滿0號(hào)柴油，在-27℃±2℃條件下冷凍12 h后，采用圖7所示試驗(yàn)臺(tái)架，利用環(huán)形加熱器和積水杯加熱器，分別按照?qǐng)D5所示通過二位三通換向閥1與二位三通換向閥2，將油箱2斷開，利用油箱1供油，調(diào)整輸油泵流量為260 L/h進(jìn)行泵油模擬起動(dòng)；當(dāng)柴油濾清器的出油口出全液態(tài)柴油時(shí)，再通過二位三通換向閥1與二位三通換向閥2，將油箱1斷開，利用油箱2供油，調(diào)整輸油泵流量為480 L/h，循環(huán)1小時(shí)，模擬車輛正常運(yùn)行工況下燃油供給系統(tǒng)加熱運(yùn)行狀態(tài)。

圖7 加熱性能試驗(yàn)

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)過程中采集2種試件的電流曲線如圖8所示，得到其環(huán)形加熱器與積水杯加熱器的相對(duì)穩(wěn)定電流均始于15 A左右。

圖8 電流曲線

通過電功率計(jì)算公式（1）得出兩種加熱器的額定功率如式（2）。

式中P為額定功率；U為整車電瓶電壓；I為加熱器電流。

3.4 臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果

臺(tái)架試驗(yàn)過程中測(cè)得2種加熱器出油時(shí)間及持續(xù)運(yùn)行數(shù)據(jù)如表4、表5所示。

表4 環(huán)形加熱器臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果

表5 積水杯加熱器臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果

4 整車試驗(yàn)

在臺(tái)架試驗(yàn)后，為了進(jìn)一步對(duì)積水杯加熱器方案進(jìn)行研究，在整車上對(duì)原車柴油濾清器進(jìn)行了改裝，拆除原車積水杯總成，更換成帶積水杯加熱器的積水杯總成，如圖9所示。利用裝有0號(hào)柴油的主油箱運(yùn)行一段時(shí)間，此時(shí)濾清器充滿0號(hào)柴油，在-15℃的環(huán)境下停車放置12 h，柴油濾清器內(nèi)柴油結(jié)蠟狀態(tài)如圖10所示，柴油濾清器的濾材已經(jīng)徹底被結(jié)蠟的柴油堵塞，此時(shí)車輛無(wú)法正常起動(dòng)。

圖9 積水杯加熱器試件

上述操作后，利用裝有-35號(hào)柴油的副油箱進(jìn)行供油，分別接通原車的環(huán)形加熱器和積水杯加熱器，記錄正常起動(dòng)時(shí)間。在車輛起動(dòng)后，將柴油切換為裝有0號(hào)柴油的主油箱進(jìn)行供油，持續(xù)運(yùn)行1 h。

圖10 燃油結(jié)蠟堵塞濾材

4.1 起動(dòng)工況

試驗(yàn)過程中測(cè)得采用環(huán)形加熱器的車輛起動(dòng)時(shí)間為45.08 min；采用積水杯加熱器的車輛起動(dòng)時(shí)間為15.7 min。

4.2 持續(xù)運(yùn)行工況

試驗(yàn)過程中車輛起動(dòng)后，運(yùn)行一段時(shí)間，當(dāng)主油箱內(nèi)的0號(hào)柴油溫度被加熱至其冷濾點(diǎn)以上時(shí)，將油路切換為以0號(hào)柴油進(jìn)行供油，運(yùn)行1 h。結(jié)果顯示采用環(huán)形加熱器與采用積水杯加熱器均可使車輛正常運(yùn)行，未出現(xiàn)供油不足、斷油等異?，F(xiàn)象，如圖11所示。

圖11 整車試驗(yàn)中的帶加熱器燃油濾清器

試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，采用原有的環(huán)形加熱器的柴油濾清器在低溫環(huán)境下使用適合標(biāo)號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)柴油可正常工作；若未使用適合標(biāo)號(hào)的柴油則柴油濾清器無(wú)法正常工作，濾清器內(nèi)0號(hào)柴油會(huì)逐漸出現(xiàn)結(jié)蠟的現(xiàn)象，導(dǎo)致柴油濾清器濾材堵塞，再次運(yùn)行時(shí)即使采用-35號(hào)柴油也無(wú)法使柴油濾清器在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常工作。優(yōu)化的積水杯加熱器方案，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明可在不提升加熱器功率的前提下，極大的提高其加熱性能，縮短解蠟時(shí)間，使柴油濾清器在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常工作。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）在加熱器功率相同的狀態(tài)下，積水杯加熱器的加熱性能可滿足各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求。

（2）臺(tái)架試驗(yàn)中采用積水杯加熱器的柴油濾清器恢復(fù)正常工作時(shí)間較原有環(huán)形加熱器快18.5 min。

（3）整車試驗(yàn)中采用積水杯加熱器的柴油濾清器正常恢復(fù)工作時(shí)間較原有環(huán)形加熱器快29.38 min。

（4）整車試驗(yàn)與臺(tái)架試驗(yàn)在環(huán)境溫度、燃油品質(zhì)、管路布置等條件上有所區(qū)別，因此其時(shí)間差亦有所區(qū)別。

（5）2種試驗(yàn)結(jié)果均證明了采用積水杯加熱器使得柴油濾清器恢復(fù)正常工作的時(shí)間約為采用環(huán)形加熱器的1/3。

（6）在不改變加熱器功率的前提下，結(jié)構(gòu)及其布置位置的設(shè)計(jì)對(duì)加熱性能影響極大。