柴油机冷启动系统的结构设计和实验研究

李志香，李晓艳

（1.国家开放大学 工学院，北京 100039；2.北京兴科迪科技有限公司，北京 100091）

0 引言

柴油机冷启动性能差，是柴油机在使用过程中存在的突出问题。分析柴油机冷启动的影响因素，提出改善柴油机冷启动性能的措施具有实际意义。改善柴油机的低温起动性能除了对柴油机自身进行优化设计外, 最重要的是采用低温辅助措施[1]。目前提高柴油机冷启动性能的主要措施有保温、预热、电启动、合理使用燃料和润滑油、喷入辅助燃料，以及采用外置强制循环式燃油加热器、用火焰预热装置起动[2～4]等。但是以上方案均存在着方案复杂、可操作性差、成本高、不能完成满足要求的缺点。因而，研究汽车柴油机在低温条件下的启动，采取相应的技术措施，对于改善其使用性能，满足人们生活需要，节约油材料，确保行车安全，保证汽车合理使用具有重大意义。基于SolidWorks软件设计了一种新的柴油机冷启动系统，主要是想解决柴油在低温下的结蜡和蓄电池低温下的性能降低两个方面问题。

1 柴油机冷启动系统的设计要求

柴油机冷启动系统是一种可以让汽车在低温环境下，保证汽车正常启动的一套系统。通常是依靠汽车电池提供电能，通过高分子导电膜将电能转化为热能，使汽车燃油系统各相关部件进行加热，以满足汽车启动条件。设计需符合以下要求：

1）在-40oC环境下，通过高分子导电膜加热系统对汽车启动部件进行加热，确保在柴油机启动前融化足够的油量，以满足启动和正常运行。

2）通过对蓄电池的加热，改善蓄电池的启动性能，使其在低温环境下，也能达到柴油机正常启动的要求，即符合国家标准GB/T5008.1《起动用铅酸蓄电池条件》的要求。

2 柴油机冷启动系统的结构设计

在给出方案的基础上，确定各主要功能模块的具体结构型式，利用SolidWorks软件进行结构优化设计。新设计的柴油机冷启动系统主要分为以下几大部分：油箱的加热、油管的加热、蓄电池的加热。

2.1 油箱加热系统的结构设计

利用高分子加热膜作为加热材料[5]，通过多种方案比较验证，采用以下方案对油箱进行加热。将高分子导电膜固定于油箱内部，并用绝缘材料将高分子材料与柴油隔离。在启动前通电融化柴油。此方案特点：热量损失少；结构简单方便；与原有油箱制作工艺配套，加工方便；加热集中，能快速融化结蜡的柴油。

油箱加热总成主要由油箱总成、加热膜、加热膜固定装置、出线螺栓组成。油箱总成主要由箱体、加强板、油管组成。

图1 油箱加热总成结构示意图

图2 油箱总成结构示意图

加热膜为上下各一片，加热膜固定装置可点焊在油箱壳体内，加热膜采用卡扣安装在加热膜固定装置上。两电热膜间距为0.04米，电热膜尺寸为：0.3米×0.3米。出线螺栓焊接在油箱壳体上，导组可固定在油箱加强板上。

图3 加热膜、加热膜固定装置结构示意图

图4 出线螺栓、导线结构示意图

2.2 电路设计

为了保证加热在合理温度后，停止加热，在加热电路中设计温度传感器，使实时探测温度，当油箱内温度达到某一设定值时，切断电路停止加热。油箱加热电路原理框图如图5所示。

图5 油箱加热电路原理框图

经与汽车设计厂家沟通调查并查阅相关资料，确认需保证车正常启动，可用油量应大于5升，则融化油量所需的热量为：

其中：C为-10#柴油的比热容2100J/(kg·oC)；

M为需融化柴油的质量；柴油密度：0.84g/cm3；M=0.84×5000=4.2kg。

T1为目标加热温度-10oC。

T2为初始温度-40oC。

加热膜功率密度Wθ（W/m2）参数确定：

由Q=WT=2*Wθ*L*S*T可推出：

其中：T为设计加热时间，30分钟。

W为总功率；

Wθ为功率密度；

L为加热膜长度0.3m；

S为加热宽度0.3m。

2.3 油管加热系统的设计

利用高分子导电膜制作成管状结构，直接套装在油管外表面，并在高分子导电膜外层套装海棉隔热材料。

融化油量所需热量计算：油管半径为0.005米；油管长度为7米。

需融化油量：3.14×0.0052×7=0.0005m3=0.5L。

融化油量所需热量：

Q=C*M(T1-T2)=2.1×0.84×500×（-10+40）=26.46KJ

加热膜功率密度Wθ（W/m2）参数确定：

Q=WT=2*Wθ*A*L*T可推出Wθ=Q/(2*L*S*T)=66.8W/m2

其中：L为加热膜长度，7m；

S为加热膜宽度，2×3.14×0.005m=0.0314m。

油管加热电路设计：将高分子导电膜引线与蓄电池连接，当启动前对油进行加热，融化油量。因油管上柴油流动较快，不会引起过热，故不需组装温控装置。

3 蓄电池的加热设计

3.1 蓄电池加热结构设计

利用高分子导电膜制作成片状结构,并组为五面体，组装与塑料成形的箱体内。其中高分子导电膜紧贴蓄电池外壁，可以直接将热量导入蓄电池内部。蓄电池加热总成包括蓄电池、外壳、隔热板、加热垫。外壳采用工程塑料组装。

图6 蓄电池加热总成结构示意图

图7 蓄电池外壳结构示意图

隔热板采用隔热泡沫塑料板，其导热系数为0.17，可有效隔热，使热量不能散失。

图8 隔热板、加热膜结构示意图

3.2 蓄电池加热电路设计

将高分子导电膜引线与蓄电池连接，当启动前对蓄电池进行加热。使蓄电池温度从-40oC升到满足国家标准GB/T5008.1-2005 《起动用铅酸蓄电池条件》中第4.2条低温启动能力试验中要求的-18oC。并在高分子导电膜与蓄电池外壁间设有温度传感器，在温度过高时进行断电保护。电路原理框图如下：

图9 蓄电池加热电路原理图

4 油箱加热试验验证

4.1 油箱加热试验

1）试验目的：验证按照油箱加热理论设计，试验结果是否满足原设计要求。

2）试验方法：

（1）在油箱中放入-10#柴油，按设计安装加热膜部件。

加热膜部件功率密度要求817W/m2，为确保符合要求，现功率密度加大至1000W/m2。

（2）将油箱总成放入-40oC低温箱，保温20小时。

（3）将加热膜与蓄电池24V150AH连接，

对结蜡柴油进行加热。

（4）加热30分种时，观察柴油温度及状态。

表1 油箱加热测试记录表

图10 油箱加热温度曲线图

图11 油箱柴油加热后效果

3）试验结论：从试验数据可以看出，在经过30分钟的加热后，柴油开始融化。融化体积实测为：(0.04+0.02)m×0.3m×0.3m=0.0054m3=5.4L。与理论设计基本一致。

4.2 蓄电池加热试验验证

1）试验目的：验证按照蓄电池加热理论设计，试验结果是否满足原设计要求。

2）试验方法：

（1）将加热将蓄电池24V150AH按设计结构方案，与外壳、隔热板、加热垫组装。

（2）放入-40oC低温箱内，放置20小时。

（3）在温度稳定后，使加热垫与蓄电池连接，加热30分钟，观察蓄电池温度变化。

表2 蓄电池加热试验图表

图12 蓄电池加热温度曲线图

3）试验结论：在加热30分钟后，电池酸液温度升至-18oC以上，符合设计要求。

5 结束语

本文根据汽车的使用环境及各部件的结构特征，进行了柴油机冷启动系统结构和电路的总体设计，确定了柴油机冷启动系统由油箱加热、油管加热、蓄电池加热三部分组成。实验结果显示，油箱加热、油管加热能保证提供启动时需要的液态油量；通过对蓄电池的加热，改善蓄电池的启动性能，能其能保证足够的启动电压和满足要求的启动大电流；而油箱内油量的加热则保证了油路供给足够的油量，以达到汽车正常的续行，直至油箱内柴油全部融化。该系统设计设计巧妙，结构简单，操作方便，性能稳定。但设备的试验与汽车实际工作环境还有一些差异，故还需要做进一步细致的试验及系统的设计，才能将此设计应用于汽车行业中。

[1]吴克刚,罗青峰,边耀章.改善汽车冷起动性的试验研究[J].车用发动机,2002,8:10-11.

[2]张立峰,王素娥.影响柴油机冷启动的因素及改善措施[J].山东农机化,2006,10:21.

[3]谷庆敏,蒋建功,徐琴.柴油机冬季低温起动困难的原因及对策[J].内江科技,2011,7:115-118.

[4]师永强,穆希辉,杜峰坡,等.柴油机启动性能改进措施[J].机械与电子,2010,8:37-39.

[5]谭洪生,王日辉,李丽,等.复合型高分子自限温发热材料及元器件在柴油机冷启动方面的应用[J].塑料工业,2004,32(12):51-53.