驻车加热器在商用车上应用的匹配计算

2014-04-19晋世强

内燃机与配件 2014年5期

晋世强

(河北安吉宏业机械股份有限公司)

0 引言

众所周知，我国国土面积广大，地区气候差别巨大，在广大的北方地区冬季温度会低至－20～－40℃以下，且冬季漫长。在此温度条件下，一般发动机在冷态时启动会十分困难〔1〕。针对此问题人们想出很多办法，如使用汽油喷灯加热发动机油底壳;给发动机加热水;使用进气预热塞或火焰塞加热进气道;乙醚喷射等等，但这些方法存在大量缺陷，使得效果和可操作性不理想。如使汽油喷灯存在以下问题:喷灯发出明火，十分危险，受风影响大;喷灯燃烧不稳定，有可能断火等;必须有人看守，操作环境恶劣;加热不均匀，油底壳内油脂易结焦;油耗大，效率低〔1〕。给发动机加热水也存在需要每天加水放水等操作麻烦的缺点，另外北方水质普遍偏硬，发动机内易结水碱。使用进气道预热或火焰塞加热会消耗大量电瓶能量，启动效果不好，同时火焰塞燃烧效果不稳定，可靠性差。使用乙醚喷射强制启动会给发动机造成很大磨损，降低发动机寿命，增大油耗。而使用燃油液体加热器则可以克服以上不足，使发动机内液体在较短时间内进行加热，提升发动机的机体温度，减少了启动阻力，满足了发动机在低温条件下的启动要求〔2〕。

另外北方地区寒冷冬季，商用车的取暖问题也不好解决，只靠发动机余热取暖不能满足需求，因为环境温度低，防冻液温度升不上来。那就需要安装空气式驻车加热器直接加热驾驶室空气取暖，或利用液体加热器将防冻液温度升上来，再通过汽车暖风将驾驶室空气加热达到取暖的要求。

那么如何选择合适的液体驻车加热器和空气驻车加热器呢?本文主要说明商用车选择驻车加热器匹配计算的重要性及计算框图，着重以福田重卡H4车型为例进行液体驻车加热器和空气驻车加热器的匹配计算。

1 商用车选择驻车加热器匹配计算的重要性及计算框图

我国北方地区冬季十分寒冷，在这些寒冷地区跑运输的商用车已经有部分安装了驻车加热器，但安装了驻车加热器的用户总是抱怨驻车加热器不好用，原因是:有的用户装了额定放热量偏小的驻车加热器，与商用车取暖面积及发动机功率不匹配，导致加热时间过长，或甚至不能使驾驶室及取暖空间达到舒适的温度;有的用户选择了额定放热量偏大的驻车加热器，对发动机低温启动时间很短，驾驶室取暖达到舒适温度也很快，但是驻车加热器耗油量大、耗电量大，为了使驾驶室保持舒适的温度，就要频繁开关驻车加热器，这样既不节能、不环保，又降低驻车加热器的使用寿命。这就给我们提出一个课题，商用车的低温启动与驾驶室取暖如何选择合适的、匹配的驻车加热器?而且这个匹配计算也相当重要，只有在商用车安装驻车加热器前，了解发动机的小循环防冻液系统最小容积及驾驶室的散热量 (汽车围护结构散热、汽车玻璃散热、人员及门窗漏风散热)，就可以进行发动机低温启动的匹配计算及驾驶室取暖的匹配计算。通过匹配计算选择的驻车加热器对商用车来说即合理又经济，还节能环保并延长驻车加热器的使用寿命。

驻车加热器在商用车上的取暖匹配计算，首先计算出驾驶室需求热量，再根据此热量选择加热器额定放热量。根据车身热平衡计算方程式〔3〕:

式中:α1—储备系数，Q—采暖系统所需换热量，Qe—车身总热负荷，QB—车体传入热量，QG—玻璃传入热量，QV—新风热负荷，QP—人体热，QM—发动机散热量，QL—车内零件散热量。

商用车采暖热负荷按公式1－1及1－2计算，由于QP—人体热、QM—发动机散热量、QL—车内零件散热量这三项参数对车辆采暖不仅起正作用，而且影响比较小，因此商用车采暖热负荷计算中可以忽略此三项参数。对于空气式驻车加热器和液体式驻车加热器的热负荷计算，其QV—新风热负荷是不同的，空气式驻车加热器是加热循环驾驶室内的空气，因此QV—新风热负荷主要是来自为补充车厢乘客所需输送一定量的新风，按人体卫生要求，每人所需的新风量标准为20～40(m3/h·人)〔4〕〔5〕，由于汽车条件限制，新风量标准不得不降低，对大客车空调而言，新风量下线甚至接近10 m3/h·人〔6〕;液体式驻车加热器是将汽车暖风芯体防冻液加热，再通过风机将热量带入驾驶室，因此QV—新风热负荷主要是暖风风机输送进来的新风产生的。同时无论是液体驻车加热器还是空气式驻车加热器都是车辆在驻车时进行加热的，因此QV—新风热负荷都没有因为车辆行驶产生漏风造成的新风热负荷。根据商用车的保温措施不同α1—储备系数一般取1～1.2。

驻车加热器商用车采暖应用匹配计算框图见图1－1

图1 －1 商用车采暖热负荷计算框图

2 空气式驻车加热器在福田重卡应用的匹配计算

福田H4热负荷计算:

设计条件:

车外环境温度: T1－40℃

车内目标温度: T220℃

整车内表面积: A121.23m2

车顶内表面积: A23.1m2

车底内表面积: AF5.074m2

车身内侧面表面积 AS9.6m2

前挡风玻璃面积: A31.958m2

前挡风玻璃水平面投影面积:A40.284m2

所有玻璃面积: A53.456m2

乘员数: N11

驾驶员: N21

(1)汽车车体围护结构传热

=465+1440+761.1=2666.1 w (1－3)

注:K—车厢传热系数，对开启式商用车，一

般取2.5w/m2·℃

F—车厢围护结构的内表面积 17.774 m2

ΔT—车内外温差 60℃

TR—车顶外部温度，一般为－40℃

TS—车身侧面温度，一般为－40℃

TF—车底外部温度，一般为－40℃

(2)车窗和挡风玻璃传热

注:KB—玻璃传热系数，一般为 5.5

A5—所有玻璃面积 3.456 m2

ΔT—车内外温差 60℃

(3)新风产生的热负荷

=11*2/3600*1.424* (38+40)*1000=678.78 w

注:n—乘员人数，n=2

l0—新风量/人 .小时取值 11m3/h.人

(最小不小于10 m3/h.人)

ρ—空气密度，取1.424kg/m3

h0—室外空气的焓值，h0=40kJ/kg

hi—车室内空气的焓值，hi=38 kJ/kg

总热负荷为:

经过以上理论计算因此选择放热量为5KW的FJH－5B/2空气驻车加热器作为辅助加热热源匹配合理。

3 液体式驻车加热器在福田重卡应用的匹配计算

3.1 对发动机低温启动驻车加热器放热量及加热时间计算

福田重卡H4车型的发动机小循环防冻液容积最小为9.5L，防冻液温度由环境温度－40℃升高到发动机能启动温度30℃时，按容积计算防冻液需求热量为:

注:Q液:防冻液需求热量kJ;

C液:防冻液比热4.2kJ/kg·K;

ρ:防冻液密度1000kg/m3;

VY:防冻液体积0.0095 m3;

ΔT:温差70K。

福田重卡H4全驱车选择了10kw液体驻车加热器，考虑加热器放热量60%被吸收，则其低温启动所需时间为:

注:W加:驻车加热器额定放热量kw;

t:加热器时间分钟

用驻车加热器给发动机低温启动合理的加热时间根据经验应该定为10分钟左右，因此福田重卡H4全驱车选择额定放热量为10kw的YJH－Q10液体驻车加热器匹配合理。实际测试数据见表1－1中2013年1月27日在黑河做的试验数据表格，环境温度－22℃，水温被加热到65℃时驻车加热器从打开开关工作了15分钟，减去加热器预热时间1分钟低速稳焰时间2分钟，加热器正常加热工作时间应为12分钟，实际发动机小循环防冻液的容积为11 L。理论计算时间为t=4.2*11*87/(10*0.6*60)=11.2分钟。实际测试需求时间与理论计算时间基本一致。