燃油加熱輔助熱源在商用汽車上的應(yīng)用

李 楊， 周 舟

（北京汽車研究總院有限公司， 北京 102200）

隨著人們對汽車舒適性要求的不斷提高，以及國際社會對汽車節(jié)能環(huán)保認(rèn)知的進(jìn)一步加強(qiáng)，更加促進(jìn)了商用汽車公路物流跨地區(qū)流通的快速發(fā)展，使得以下4個方面的問題越來越突出：①發(fā)動機(jī)尤其是柴油發(fā)動機(jī)在高寒地區(qū)的冷起動問題；②高寒地區(qū)駐車采暖問題；③低氣溫情況下，傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)利用發(fā)動機(jī)水溫給車身內(nèi)部提供熱源熱量不足的采暖問題；④跨溫帶與寒區(qū)的物流車輛燃油箱結(jié)蠟及運(yùn)營成本增加問題。如何解決以上問題，就是本次論文闡述的重點(diǎn)。

1 汽車在低溫環(huán)境下使用需要解決的問題

1） 低溫環(huán)境溫度下的發(fā)動機(jī)預(yù)熱起動問題。在極端嚴(yán)寒工況下，汽車發(fā)動機(jī)尤其是柴油發(fā)動機(jī)（柴油發(fā)動機(jī)與汽油發(fā)動機(jī)相比，熱效率高30%） 冷卻液溫度較低，發(fā)動機(jī)機(jī)油粘度增大，發(fā)動機(jī)曲軸起動負(fù)荷增大，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)無法正常啟動。

2） 駐車休息時(shí)暖風(fēng)裝置的熱源問題。傳統(tǒng)的汽車暖氣裝置熱量由發(fā)動機(jī)啟動后加熱的冷卻液提供，但當(dāng)駐車休息需要采暖時(shí)，發(fā)動機(jī)需要持續(xù)不斷地工作以提供熱源，這時(shí)發(fā)動機(jī)功耗大、噪聲大，經(jīng)濟(jì)性及舒適性很差。

3） 低溫環(huán)境溫度下的駕駛室采暖不足問題。在低溫環(huán)境下，發(fā)動機(jī)正常工作時(shí)冷卻液溫度較低，而駕駛室采暖是以發(fā)動機(jī)冷卻液余熱做為熱源進(jìn)行采暖的，這時(shí)發(fā)動機(jī)冷卻液提供給暖風(fēng)裝置的熱量不足，導(dǎo)致駕駛室采暖除霜能力有限，整車舒適性較差。

4） 低溫環(huán)境溫度下低牌號油品使用可靠性問題。一些進(jìn)行跨區(qū)域運(yùn)輸?shù)奈锪鬈?，在溫帶加注的低牌號油品，運(yùn)行到寒區(qū)后油箱結(jié)蠟（圖1），發(fā)動機(jī)無法工作，影響正常工作，運(yùn)營成本增加。

圖1 油箱結(jié)蠟

2 燃油加熱輔助熱源及關(guān)鍵部件簡介

在闡述之前，先需要清楚以下兩個基礎(chǔ)概念。

輔助熱源（Supplementary Heat Source）：在高寒氣候條件下，指區(qū)別于傳統(tǒng)的利用發(fā)動冷卻液余熱給汽車駕駛室采暖、發(fā)動機(jī)預(yù)熱冷起動、蓄電池加熱、燃油箱加熱等需要熱保護(hù)和需要在一定工作溫度下才能保證性能的汽車部件提供熱量的熱源。

燃油加熱器：以碳?xì)浠衔锏然瘜W(xué)燃料為原料（主要與發(fā)動機(jī)共用燃料），通過這些燃料在特定裝置中燃燒產(chǎn)生熱量，以空氣或液體為導(dǎo)熱介質(zhì)，具有使這些介質(zhì)循環(huán)的動力裝置和熱保護(hù)等控制系統(tǒng)，把燃燒產(chǎn)生的熱量通過這些介質(zhì)提供給駕駛室暖風(fēng)系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)缸體預(yù)熱等需要提供熱源的裝置。

燃油加熱器主要有兩種結(jié)構(gòu)，分別是水暖式燃油加熱器和氣暖式燃油加熱器。

2.1 水暖式燃油加熱器的結(jié)構(gòu)

水暖式燃油加熱器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。水暖式燃油加熱器是以水或防凍液作為導(dǎo)熱介質(zhì)的燃油加熱器，具有使導(dǎo)熱介質(zhì)循環(huán)的水泵等動力裝置和水溫控制系統(tǒng)的裝置。

圖2 水暖式燃油加熱器的結(jié)構(gòu)

2.2 氣暖式燃油加熱器的結(jié)構(gòu)

氣暖式燃油加熱器以空氣作為導(dǎo)熱介質(zhì)的燃油加熱器，具有使導(dǎo)熱介質(zhì)循環(huán)的鼓風(fēng)機(jī)等動力裝置和出氣溫度控制系統(tǒng)的裝置。氣暖式燃油加熱器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 氣暖式燃油加熱器的結(jié)構(gòu)

2.3 燃油加熱器控制面板

燃油加熱器控制面板如圖4所示。

圖4 燃油加熱器控制面板

2.4 主油箱燃油傳感器總成

主油箱燃油傳感器總成如圖5所示。

圖5 主油箱燃油傳感器總成

2.5 液體單向閥

圖6 是 一 種“π”字型的四通道液體機(jī)械閥，只有2個通路，一條是“一”字型通路，另一通路是“倒幾”字型通路，利用4個進(jìn)出水口的液壓差，控制腔體內(nèi)球閥運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)不同的流向控制。其中，燃油加熱器停機(jī)時(shí)閥的狀態(tài)見圖7，燃油加熱器工作時(shí)閥的狀態(tài)見圖8，燃油加熱器停、發(fā)動機(jī)工作時(shí)閥的狀態(tài)見圖9。

圖6 “π”字型的四通道液體機(jī)械閥

圖7 停機(jī)時(shí)閥的狀態(tài)

圖8 燃油加熱器工作時(shí)閥的狀態(tài)

圖9 燃油加熱器停、發(fā)動機(jī)工作時(shí)閥的狀態(tài)

2.6 燃油電磁閥

圖10所示為一種三通道的電磁導(dǎo)通閥，燃油加熱器進(jìn)油管里的油通過電磁閥控制可以分別來自主油箱和副油箱。

圖10 三通道的電磁導(dǎo)通閥

2.7 電磁水閥

圖11所示為單向?qū)姶砰y，控制所串接回路中水道的通斷。

圖11 單向?qū)姶砰y

2.8 空氣單向?qū)ㄩy

在通風(fēng)道內(nèi)腔截面安裝百頁窗，百頁窗的柵頁是輕質(zhì)柔軟薄膜粘貼在塑料骨架上，利用風(fēng)道通風(fēng)時(shí)內(nèi)腔截面百頁窗兩側(cè)風(fēng)壓，正向流通時(shí)風(fēng)壓吹開薄膜使風(fēng)單向流通，反向流通時(shí)百頁窗薄膜壓緊阻斷通路的一種空氣閥。

3 燃油加熱輔助熱源在汽車上的應(yīng)用

3.1 水暖式燃油加熱器在汽車上的應(yīng)用

3.1.1 水暖式燃油加熱器在汽車上的安裝（圖12）

圖12 水暖式燃油加熱器在汽車上的安裝示意圖

3.1.2 水暖式燃油加熱器的主要功能

1） 利用燃油加熱器給發(fā)動機(jī)預(yù)熱，解決發(fā)動機(jī)低溫起動問題。

2） 在發(fā)動機(jī)水溫較低，提供給暖風(fēng)循環(huán)水的水溫不足時(shí)，輔助發(fā)動機(jī)提高水溫，滿足駕駛室采暖、除霜、除霧要求。

3） 在高寒地區(qū)仍可采用低牌號的油品，解決長途運(yùn)輸車跨區(qū)域高低牌號油品氣溫適應(yīng)性問題，同時(shí)降低油料使用成本，節(jié)能降耗。

4） 燃油加熱器有過熱保護(hù)、定時(shí)開機(jī)預(yù)設(shè)功能、遙控開機(jī)功能。

3.1.3 水暖式燃油加熱器的控制策略和工作原理

3.1.3.1 工作原理

工作原理如下：①打開燃油加熱器開關(guān)（或遙控、或定時(shí)），加熱器主機(jī)通過油泵從發(fā)動機(jī)油箱吸取燃油在主機(jī)燃燒室霧化點(diǎn)燃，燃燒產(chǎn)生的熱量加熱主機(jī)內(nèi)換熱芯體；②燃油加熱器主機(jī)水泵循環(huán)發(fā)動機(jī)冷卻液經(jīng)過主機(jī)換熱芯體進(jìn)行傳導(dǎo)加熱；③加熱的發(fā)動機(jī)冷卻液通過各種控制系統(tǒng)，對發(fā)動機(jī)、暖風(fēng)機(jī)、油箱進(jìn)行加熱。

依據(jù)主油箱油品是否結(jié)蠟的情況，具體可分為以下兩種情況介紹。

1） 環(huán)境溫度較低，主油箱油品正常（儀表臺綜合顯示屏顯示油溫為非結(jié)蠟狀態(tài)），但發(fā)動機(jī)起動仍有困難，駕駛室采暖效果不良。①先啟動燃油加熱器，其用油來自主油箱，即主副油箱切換開關(guān)H打在主油箱位置，油閥M截止副油箱油路；②同時(shí)控制儀表臺電磁水閥開關(guān)J，使燃油加熱器至主油箱上的水閥K關(guān)閉，不用為主油箱加熱；③待發(fā)動機(jī)水套內(nèi)水溫上升后再啟動發(fā)動機(jī)，確保一次起動成功。具體步驟分析如下，見圖13。

圖13 環(huán)境溫度較低， 主油箱油品正常

2） 環(huán)境溫度很低，主油箱油品結(jié)蠟。①主油箱油品沒有解凍之前，根據(jù)主油箱油溫，先啟動燃油加熱器，其用油來自高牌號副油箱，即主副油箱切換開關(guān)H打在副油箱位置，油閥M截止主油箱油路；②控制儀表臺電磁水閥開關(guān)J，使燃油加熱器至主油箱上的水閥K打開，同時(shí)為主油箱加熱和駕駛室暖風(fēng)芯體供熱；③主油箱在循環(huán)水加熱情況下局部油溫回升到解凍狀態(tài)，發(fā)動機(jī)缸套內(nèi)的水溫回升到發(fā)動機(jī)熱機(jī)狀態(tài)，發(fā)動機(jī)油管在水管的伴熱下解凍，監(jiān)控儀表臺綜合顯示屏主油箱油溫，起動發(fā)動機(jī)工作，然后操作主副油箱切換開關(guān)H打到主油箱位置，油閥M截止副油箱油路；④因?yàn)槿加图訜崞饔凸躡和發(fā)動機(jī)進(jìn)油管a與循環(huán)水管捆扎，所以油管內(nèi)油路解凍，不存在油路不通問題。

具體如圖14所示。燃油加熱器油回路為：E（副油箱）→d（油閥后油管）→C（燃油加熱器）。

圖14 環(huán)境溫度很低， 主油箱油品結(jié)蠟

3.1.3.2 控制策略

1） 整車配有兩個不同容量的燃油箱，主油箱裝700L左右0℃低牌號油品，副油箱裝20L左右-35℃高牌號油品，駕駛艙儀表臺裝綜合顯示屏，通過主油箱油溫傳感器監(jiān)控主油箱油溫，依此判斷主油箱油品是否為非結(jié)蠟狀態(tài)，通過主副油箱切換開關(guān)H控制燃油加熱器油路切換閥門開關(guān)，控制燃油加熱器工作用油來自不同牌號油品的油箱。

2） 監(jiān)控主油箱油溫，通過開關(guān)J控制燃油加熱器至主油箱加熱水管循環(huán)水閥K開啟與否，主油箱油口非結(jié)蠟狀態(tài)時(shí)關(guān)，結(jié)蠟時(shí)開。

3） 燃油加熱器關(guān)閉時(shí)，連接燃油加熱器與發(fā)動機(jī)的四通單向水閥，控制發(fā)動機(jī)循環(huán)水不經(jīng)過燃油加熱器循環(huán)，與傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)冷卻回路一樣。

4） 進(jìn)入燃油加熱器的油管及發(fā)動機(jī)吸油管與紅色的循環(huán)熱水管捆扎，確保發(fā)動機(jī)、燃油加熱器所有油路來自主油箱時(shí)，油管不結(jié)蠟堵塞，因?yàn)槿加图訜崞髟诶酶庇拖漕A(yù)熱發(fā)動機(jī)時(shí)，加熱的循環(huán)水給油管提供熱量。

3.2 空氣式燃油加熱器在汽車上的應(yīng)用

3.2.1 空氣式燃油加熱器在汽車上的安裝（圖15）

圖15 空氣式燃油加熱器在汽車上的安裝示意圖

加熱器主機(jī)、燃燒空氣進(jìn)氣管、排煙管等安裝于駕駛室外面，駕駛室內(nèi)空氣回風(fēng)管、出風(fēng)管安裝于駕駛室內(nèi)，排風(fēng)管與空調(diào)箱連通。

3.2.2 空氣式燃油加熱器的主要功能

1） 在低溫環(huán)境下，傳統(tǒng)利用發(fā)動機(jī)余熱采暖水溫低，熱量不足，輔助提高暖風(fēng)裝置的采暖、除霜、除霧能力。

2） 在低溫環(huán)境下，駐車采暖，不用起動發(fā)動機(jī)，低油耗，能持續(xù)工作8h，可以保證駐車時(shí)駕駛艙內(nèi)恒溫、靜音、節(jié)能，提高駕駛艙舒適性。

3） 燃油加熱器有預(yù)設(shè)定時(shí)開機(jī)功能、遙控開機(jī)功能。

3.2.3 空氣式燃油加熱器的控制策略和工作原理

3.2.3.1 工作原理

1） 打開燃油加熱器開關(guān)（或遙控、或定時(shí)），加熱器主機(jī)通過油泵從發(fā)動機(jī)油箱吸取燃油在主機(jī)燃燒室霧化點(diǎn)燃，加熱主機(jī)內(nèi)換熱芯體。

2） 燃油加熱器主機(jī)風(fēng)機(jī)抽取駕駛室內(nèi)空氣經(jīng)過主機(jī)燃燒室換熱芯體進(jìn)行加熱，通過主機(jī)排風(fēng)管吹到空調(diào)箱總成，經(jīng)過空調(diào)箱各出風(fēng)模式，達(dá)到除霜、除霧、采暖的不同要求。

3.2.3.2 控制策略

1） 通過燃油加熱器控制器可調(diào)節(jié)4擋不同的出風(fēng)口溫度，使駕駛室內(nèi)溫度可調(diào)，可調(diào)節(jié)駕駛室內(nèi)溫度分別達(dá)到10～40℃，當(dāng)出風(fēng)口的溫度高于80℃時(shí)自動停機(jī)保護(hù)，當(dāng)關(guān)閉燃油加熱器時(shí)，加熱器內(nèi)的循環(huán)風(fēng)扇會延遲3min給主機(jī)降溫后停機(jī)，保護(hù)主機(jī)不過熱失效。

2） 開空調(diào)時(shí)（制冷模式），燃油加熱器不能開機(jī)工作，因?yàn)橹评鋾r(shí)一般不需要輔助熱源，具體見圖16所示原理圖。

圖16 原理圖

3） 駐車采暖時(shí)，燃油加熱器檢測蓄電池電壓低于23V時(shí)，自動停機(jī)，確保發(fā)動機(jī)能正常起動。

4） 當(dāng)空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量大于等于3擋時(shí)，燃油加熱器不能開機(jī)工作，因?yàn)槿加图訜崞鞯娘L(fēng)機(jī)風(fēng)壓此時(shí)小于空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)壓，燃油加熱器的熱風(fēng)無法流到空調(diào)箱內(nèi)參與分配。

5） 通過在加熱器與空調(diào)箱總成連通風(fēng)管上設(shè)計(jì)空氣單向?qū)ㄩy，確?？照{(diào)鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量大于3擋時(shí)，空調(diào)的風(fēng)不倒灌進(jìn)燃油加熱器，影響空調(diào)的風(fēng)量。

4 總結(jié)

以上所述燃油加熱輔助熱源，水暖式和空氣式燃油加熱器在商用汽車上的應(yīng)用，尤其是重型柴油商用汽車、大型客車，在高寒地區(qū)的應(yīng)用，已經(jīng)是國家知識產(chǎn)權(quán)局備案的發(fā)明專利，汽車根據(jù)不同的使用地域氣候特點(diǎn)和需求，分別配置這兩種燃油加熱器總成或同時(shí)配置，能有效解決高寒地區(qū)發(fā)動機(jī)冷起動問題、駐車采暖問題、輔助采暖問題、低牌號油在高寒地區(qū)使用問題，其中水暖式燃油加熱器的主要功能是發(fā)動機(jī)冷起動和油箱加熱，駐車采暖由于需要借助空調(diào)鼓風(fēng)循環(huán)風(fēng)，對整車蓄電池電量消耗較大而不能長時(shí)工作，效果大打折扣；風(fēng)暖式燃油加熱器的主要功能是駐車采暖和輔助采暖，沒有發(fā)動機(jī)冷起動和油箱加熱的功能，但由于熱效率高，廣泛應(yīng)用于大客、重卡等客運(yùn)和長途運(yùn)輸?shù)能囕v上，解決采暖和駐車采曖問題。匹配這兩種輔助熱源能提高整車在高寒地區(qū)使用的可靠性和熱舒適性，同時(shí)節(jié)能環(huán)保，有較大的經(jīng)濟(jì)效益。