寒區(qū)重型車輛燃油加熱系統(tǒng)設(shè)計與仿真分析

牟鑫，高軍，田雨，龔佳慧

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

前言

我國國土幅員遼闊，北方地區(qū)進入冬季之后，有不少地區(qū)在冬季的氣溫達到了-20℃～-35℃，在東北、西藏等局部地區(qū)冬季的氣溫接近-53℃，這樣的的低溫環(huán)境給柴油發(fā)動機的啟動造成很大的困難。目前寒區(qū)車輛在解決車輛低溫冷起動的方案主要有起動液起動裝置、進氣格柵加熱和燃油加熱器裝置等方案，但這些解決方案在實際使用的時候也存在一定的不足。

冷起動液是一種輔助起動燃料（由乙醚，低揮發(fā)點的碳氫化合物和帶有添加劑的低凝點機油組成），其中加入的帶有添加劑的低凝點機油可改善氣缸壁的潤滑條件，有助于低溫起動。但起動時柴油機的工作粗暴程度也就會越大，會對發(fā)動機造成。

進氣格柵加熱裝置是在進氣進氣格柵加熱是通過在進氣歧管內(nèi)增加電熱絲，在冷起動之前給電熱絲通電，來對進入發(fā)動機歧管的冷空氣進行預(yù)熱，使得混合燃油的溫度升高，使得發(fā)動機起動時混合氣體更容易壓燃。進氣格柵加熱的缺點是功率大，對蓄電池的電量消耗過大，不能長時間使用。

燃油加熱器裝置是通過燃油加熱器從油箱吸取柴油到燃油加熱器燃燒，利用釋放的熱量來加熱從發(fā)動機過來的冷卻液，通過冷卻液再把熱量傳遞到發(fā)動機的缸套上，進而預(yù)熱了柴油發(fā)動機的燃燒室，保證柴油的順利壓燃。此方案屬于熱機起動、容易起動并減少了運動件間的摩擦力，延緩零件損壞。正是由于燃油加熱器所具有的的優(yōu)點，使得越來越多的寒區(qū)重型車輛安裝加熱器。加熱器方案在車輛使時，車輛相應(yīng)的油品需與環(huán)境溫度匹配，低標(biāo)號柴油價格昂貴增加用車成本。

本文針對目前重型車輛在寒區(qū)面臨的問題和各種冷起動方案的不足，提出新的集發(fā)動機加熱和燃油預(yù)熱為一體的低溫燃油加熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)能使重型車輛在-41℃的環(huán)境溫度下加熱時間不超過30分鐘，發(fā)動機正常起動并實現(xiàn)高標(biāo)號0#柴油在寒區(qū)的使用，大大降低車輛的使用成本，增強車輛對寒區(qū)環(huán)境的適應(yīng)性。

1 燃油加熱方案的設(shè)計

低溫燃油加熱系統(tǒng)總體方案由燃油加熱器、燃油預(yù)熱器、組合燃油箱、燃油轉(zhuǎn)換閥、管路及控制系統(tǒng)等部件組成。

1）燃油加熱器：由水泵、風(fēng)機、油泵及熱交換器等組成，用于將組合燃油箱中的-50#柴油燃燒，產(chǎn)生的熱量經(jīng)加熱器中的熱交換器傳遞給管路中的防凍液，為系統(tǒng)中各個需要加溫的部件加熱。

2）燃油預(yù)熱器：通過管路中經(jīng)過加熱器加熱的防凍液，為組合燃油箱中的0#柴油預(yù)熱，保證發(fā)動機能夠在低溫環(huán)境下正常使用0#柴油。

3）組合燃油箱：由相互獨立的兩個燃油箱集成在一起，用于存儲-50#和0#兩種不同標(biāo)號的燃油，為底盤車輛低溫起動和正常工作提供燃料。

4）燃油轉(zhuǎn)換閥：為二位六通電磁閥，底盤車低溫起動時，通過控制系統(tǒng)將燃油切換至-50#柴油油路；等0#柴油溫升后，通過控制系統(tǒng)將燃油轉(zhuǎn)換至0#柴油油路。

5）管路系統(tǒng)：用于連接發(fā)動機、燃油加熱器等各部件，分為燃油管路和防凍液管路。

6）控制系統(tǒng)：由基于單片機的控制器、燃油溫度傳感器及連接電纜等組成，用于控制燃油轉(zhuǎn)換閥的相互切換，為發(fā)動機燃油系統(tǒng)提供不同標(biāo)號的燃油。

低溫燃油加熱裝置的工作原理如下：

首先通過直流電瓶給燃油加熱器供電，燃油加熱器中的點火塞將從組合燃油箱中供給過來的-50#柴油點燃，產(chǎn)生的熱量經(jīng)加熱器中的熱交換器傳遞給管路中的冷卻液，通過冷卻液的循環(huán)流動，對發(fā)動機機體與0#柴油進行循環(huán)加熱；燃油加熱器持續(xù)工作約 30分鐘后當(dāng)發(fā)動機內(nèi)冷卻液溫度上升到75℃左右，保證發(fā)動機在冷起動之前充分的溫升。

其次，啟動底盤車發(fā)動機，當(dāng)0#柴油箱內(nèi)的柴油達到5℃左右時，控制系統(tǒng)通過燃油轉(zhuǎn)換閥將油路從-50#柴油油路切換至0#柴油油路，使發(fā)動機正常工作時可使用0#柴油。

最后，當(dāng)發(fā)動機停止工作前的5分鐘，駕駛員操縱控制器，控制燃油轉(zhuǎn)換閥進行油路切換，把低壓供油管內(nèi)的0#柴油轉(zhuǎn)換為-50#柴油，防止低壓供油管內(nèi)的柴油在停車后凝結(jié)。

圖1 低溫燃油加熱系統(tǒng)工作原理示意圖

2 寒區(qū)重型柴油車輛燃油加熱系統(tǒng)仿真分析

2.1 燃油加熱系統(tǒng)建模

本文在 pro/e中建立了燃油加熱系統(tǒng)的三維模型。圖 2為冷卻液循環(huán)系統(tǒng)模型，模型按與實物1：1比例建立，保證分析的對象真實具有實際意義。然而，燃油加熱系統(tǒng)中發(fā)動機結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，含有多個零件，為了提高網(wǎng)格質(zhì)量，減少網(wǎng)格數(shù)量，縮短模擬計算所需時間，需要在進行網(wǎng)格劃分前對發(fā)動機模型進行簡化。

圖2 為燃油箱及燃油預(yù)熱器模型

圖3 燃油加熱系統(tǒng)體網(wǎng)格模型

根據(jù)ANSA生成的表面網(wǎng)格如圖 3.6所示，在STAR_CCM+軟件中采用多面體網(wǎng)格進行體網(wǎng)格的劃分如圖 3.7所示。整個模型的面網(wǎng)格和體網(wǎng)格進行統(tǒng)計，面網(wǎng)格77萬、體網(wǎng)格140萬。整體的網(wǎng)格數(shù)量及網(wǎng)格的布局能夠滿足計算的需求，也能適用于現(xiàn)有的計算資源。

2.2 邊界條件的設(shè)定

本文要研究的是在穩(wěn)態(tài)工況下，模擬環(huán)境溫度在-41℃時，燃油加熱器燃燒-50#柴油加熱發(fā)動機冷卻液，通過加熱后的冷卻液再加熱 0#柴油，使發(fā)動機在低溫環(huán)境下能使用高標(biāo)號柴油。通過仿真分析整個加熱過程中的冷卻液的溫度變化和流動情況。流體采取穩(wěn)態(tài) Implicit UnSteady（隱式非穩(wěn)態(tài)）計算模型，流動模型選取laminar flow model（層流模型）。固體采用Melting-Solid。

表1 仿真計算參數(shù)

系統(tǒng)入口采用流量入口，出口為Pressure Outlet出口，壁面采用無滑移邊界條件。

表2 邊界條件

2.3 仿真分析

圖4 燃油加熱系統(tǒng)冷卻液溫度分布云圖

圖4為燃油加熱系統(tǒng)冷卻液溫度分布云圖。通過圖上可知，冷卻液在進入加熱器后溫度快速上升，流經(jīng)到燃油預(yù)熱器后固態(tài)的0#柴油吸收冷卻液熱量，預(yù)熱器周圍0#柴油開始融化，冷卻液溫度下降，從燃油預(yù)熱器出來的冷卻液再從發(fā)動機機油冷卻器蓋進入發(fā)動機，冷卻液通過發(fā)動機缸體和水泵室等水道進入到發(fā)動機出水道。由于發(fā)動機質(zhì)量大內(nèi)部水道復(fù)雜，發(fā)動機溫度上升緩慢。冷卻液從發(fā)動機出水道通過軟管再流入加熱器，形成循環(huán)加熱。

通過觀察預(yù)熱器的吸油口處和吸油口外 100mm處油溫變化和發(fā)動機機油冷卻器處冷卻液的溫度變化，看在規(guī)定時間范圍內(nèi)油溫和水溫能否達到預(yù)計的溫度。

圖5 觀測點處的油溫和水溫曲線

圖5中紅色線代表冷卻液溫度曲線、藍色線代表預(yù)熱器吸油口處 0#柴油溫度曲線、黃色線代表預(yù)熱器吸油口外100mm處0#柴油溫度曲線。同圖上可知在22分鐘時冷卻液在進入發(fā)動機時已經(jīng)維持的90℃左右（未考慮節(jié)溫器的開啟和發(fā)動機啟動時水泵對冷卻液溫度的影響），比計算預(yù)計的時間提前了8分鐘左右，主要原因在于仿真分析時對發(fā)動機進行了簡化，簡化后模型散熱面積遠小于實際面積等原因，冷卻液的溫度可以滿足啟動要求。而吸油口處0#柴油溫度在22分鐘左右時也達到了 5℃以上，可是滿足低溫環(huán)境下重型車輛的使用的條件。

3 結(jié)論

本文針對目前重型車輛在寒區(qū)使用面臨的問題，新設(shè)計燃油加熱系統(tǒng)，并建立三維模型，通過 STAR-CCM+軟件進行有限元理論分析，得出在-41℃的環(huán)境下燃油加熱系統(tǒng)能保證發(fā)動機在冷起動之前溫升到75℃之上， 使0#柴油加熱溫升到5℃以上，保證0#在低溫環(huán)境下的流動性，滿足了寒區(qū)車輛冷起動和使用0#柴油的條件。為重型車輛在寒區(qū)低溫冷起動和使用高標(biāo)號柴油提高了解決方法，增強重型車輛對低溫環(huán)境的適應(yīng)，大大降低車輛使用成本。

[1] 余志生,汽車?yán)碚?第4版)[M].北京：機械工業(yè)出版社.2007.

[2] 楊世銘,陶文銓.傳熱學(xué)（第4版）[M].北京：高等教育出版社.2006.

[3] 張秀棟.LPG 發(fā)動機供給系統(tǒng)匹配設(shè)計與仿真分析[D].武漢：武漢理工.