保温式发动机预热系统实验研究

余凤博，何永明，邓红星，刚续航

(东北林业大学交通学院，哈尔滨150040)

中国北方冬季寒冷，常常滴水成冰，哈尔滨最低气温曾达-52．3℃。低温时，车辆电瓶会出现供电不足，火花塞放电火能力弱，同时冬季燃油不易雾化点燃，部分车辆会出现启动困难或无法启动的现象［1］。而且，冷启动耗时耗油，污染严重，冷启动一次机件的磨损量相当于正常行驶300 km［2］。研究表明，在低温状态下，发动机启动功率的大约60%是消耗在克服活塞、连杆、曲轴等零件摩擦的运动阻力上的［3］。此外，低温时燃烧室内容易形成积炭，造成活塞环胶结等现象，压缩力不足，发动机功率下降。因此，研究如何快速提高发动机启动时的温度有着重要意义。

1 研究的现状和趋势

1．1 研究的现状

国内外发动机预热器主要分为以下几类。

(1)“水”热预热器。该类预热器用电加热法将冷却液加热，从而使发动机整体预热。该类预热器接通220V电源20 min内能将机体内防冻液提高40℃左右，能做到启动自如，其突出优点为体积小，即占用空间很小，安装非常简便，可直接串联在暖风循环管或小循环管上，几乎所有汽车都不需改动原车管路［4］。预热器内部结构也采用低水流阻力设计，对原车暖风系统几乎无影响［5］。“水”热预热器如图1所示。

图1 “水”热预热器Fig．1 Water heated preheater

(2)“油”热预热器。该类预热器对供油进行预热，使用汽车自身电瓶迅速加热燃油油路内供油。

结构包括进油管和与其连通的滤清器及预热塞。特征是:在滤清器和预热塞之间的管路上连接有控制预热塞供油的电磁阀，电磁阀两端分别通过油管与滤清器和预热塞连接。其优点是:需要预热塞工作时，接通电磁阀线路，使其阀门打开，柴油经滤清器通过电磁阀，再经进油管供给预热塞;预热塞不工作时，断开电磁阀线路，阀门关闭，通往预热塞的油路被断开，由电磁阀承担通往预热塞的油压，大大降低了由于球阀密封不严出现漏油的故障［6］。“油”热预热器如图2所示。

图2 “油”热预热器Fig．2 Oil heated preheater

(3)“气”热预热器。“气”热预热器对发动机进气进行预热。此类发动机进气预热器安装在汽车发动机的进气歧管上，进气预热器包括电热带和安装电热带的预热器座，电热带置于预热器座的框体内并固定在位于预热器座边框内的瓷垫组件上，预热器座边框上设有连接电热带两接线端的电源正极接线端子和电源负极接线端子。空气由进气歧管进入汽缸，当启动预热器时，加热元件发热，使空气受热进入汽缸内，进入发动机缸体的气体和燃料混合物被充分预热［7］。 “气”热预热器如图3所示。

图3 “气”热预热器Fig．3 Air heated preheater

1．2 研究的趋势

以上几类发动机预热器均采用电能转化成热能从而达到预热目的。其中大部分预热器(主要为“水”热式)采用外接220V电源加热方式［8］，该类预热器消耗电能外，操作过程繁琐，且要靠近电源。另有小部分采用车载蓄电池加热，目前汽车广泛采用的铅酸蓄电池，冬季低温时蓄电池容量变小，充放电效率低下，因此采用蓄电池加热效率低能耗大［9］。

鉴于以上分析，目前发动机预热器发展趋势主要有以下几点:

(1)提高热转化效率。目前广泛采用的“水”热式预热器大多采用电热丝发热，发热效率低。已有部分研究采用电磁感应加热原理，通过电磁感应线圈产生的高频交变磁场在发热体的表面形成涡流，这些涡流克服发热体的电阻做功，散发出热量，从而达到直接加热的目的［10］。

(2)减少热损失。发动机停机前冷却系统处于高温状态，储存了大量的热量，如何利用这些热量为发动机下一次启动预热是发动机预热系统发展的又一趋势［11］。保温式发动机预热系统利用保温灌储存发动机高温时的能量，并提供给发动机低温时使用。保温式发动机预热系统的主要优点是:①无需外接电源，不受电源限制;②耗能少，只需蓄电池供电将冷热水循环即可，能耗几乎可忽略不计。

2 结构原理

2．1 结构组成

保温式汽车发动机预热系统属于“水”热预热系统，安装方法和传统预热系统基本相同，即将预热系统安装在汽车发动机冷却系统上，串联在小循环系统中。

保温式汽车发动机预热系统主要由保温壶、水泵、阀门及管路等组成。保温式汽车发动机预热系统结构如图4所示。

图4 保温式汽车发动机预热系统结构图Fig．4 The structure of insulation type engine preheating system

保温式汽车发动机预热系统主管通过入口连接螺母和出口连接螺母连接到汽车发动机冷却系统上，串联在小循环系统中。进液管和出液管插入密封盖，进液管插入壶底，出液管插入密封盖并固定，这样可以保证最大限度的在冷热冷却液之间进行交换。密封盖与保温壶口通过螺纹紧密连接。

2．2 工作原理

在汽车发动机工作10 min后，冷却液温度即可达到90℃，20 min后冷却液温度将持续稳定在95℃左右［12］。发动机停止工作后，冷却液温度将在4个小时内降低至环境温度。大部分车辆在傍晚停车时发动机冷却液温度在95℃左右，夜间大量的热量被浪费掉，早上又要花费燃油和时间对发动机预热，造成能量再次浪费。因此，保温式发动机预热系统采用串联保温壶的方式储存热量，供汽车发动机低温启动时提高发动机气缸壁温度。

当发动机温度较低，启动困难或无法启动时，启动预热系统加热，主管阀门关闭，支管阀门打开，水泵工作，发动机冷却系统中较低温度冷却液通过主管、支管阀门、进液管进入保温壶，保温壶中较高温度的冷却液通过出液管、水泵进入主管，从而完成一次交换，较高温度的冷却液使发动机缸体迅速升温，从而起到预热的作用。

保温式汽车发动机预热系统的主要优点是无需外接电源，不受电源限制;耗能少，只需蓄电池供电将冷热水循环即可，能耗几乎可忽略不计。保温式汽车发动机预热系统和电热式预热系统相比，节能可以达到95%以上，并且即使环境温度低至-30℃，也能达到发动机正常启动的温度，同时在预热时间上比电加热的要快很多。

2．3 技术方案

(1)储热过程。汽车发动机停止工作时冷却液温度最高，一般为95℃左右，此时启动预热系统储热开关，水泵工作，发动机冷却系统中高温冷却液与保温灌中较低温度的冷却液完成一次交换，即储热过程。

(2)预热过程。汽车发动机正常工作时，保温式发动机预热系统并不工作，也不影响发动机冷却系统正常工作。

当发动机温度较低，启动困难或无法启动时，启动预热系统，发动机冷却系统中较低温度的冷却液与保温灌中温度较高的冷却液完成一次交换，较高温度的冷却液使发动机缸体迅速升温，从而起到预热的作用。

3 模拟实验分析

3．1 模拟实验内容

模拟实验内容包括三分部分，分别是保温罐中冷却液降温实验，发动机冷却液自然冷却实验，以及冷却液交换实验。

(1)保温壶降温实验。用家用双层玻璃真空暖壶模拟保温式汽车发动机预热系统的保温罐，将保温壶盖打孔，用液晶显示探针温度计测量保温壶内冷却液温度，同时记录环境温度。测量数据绘图如图5所示。

从图5可以看出，24 h内冷却液降温明显，到第24 h，温度降到60℃，累计降温达到30℃，此后，每24 h降温约10℃左右，到第72 h，保温壶温度降至40℃。

(2)发动机冷却液自然降温实验。实验采用金属水壶模拟发动机气缸水套，注入90℃左右冷却液，连续记录金属水壶温度，根据温度绘图见图5。

从图5可以看出，金属水壶中冷却液4 h内降到10℃，降温达到80℃，到第16 h时已经和环境温度完全相同。

图5 降温曲线图Fig．5 The cooling curve

(3)冷却液交换实验。保温式发动机预热系统储热和预热过程都需要进行一次冷却液交换，即发动机气缸水套和保温壶中的冷却液交换。为了尽可能提高冷却液交换的比例，保温壶内进液管口和出液管口应尽量远离，如图4所示。尽管如此，每次交换也不能实现100%的冷却液交换。实验三次模拟预热过程，数据见表1。

表1 模拟预热过程实验数据Tab．1 Experimental data of preheater simulation

3．2 预热系统模型建立

根据能量守恒定律，热交换前的热量Q前等于交换后的热量Q后，即:

式中:c冷为冷却液的比热，取水的比热4．2 kJ/(kg·K);m保为保温壶中冷却液的质量，kg;c套为水套的比热，取铁的比热0．46 kJ/(kg·K);m冷为发动机气缸水套中冷却液的质量，kg;m套为水套质量，kg。

其它参数见实验三冷却液交换预热实验数据记录表。

假设m保=m冷=m套，代入公式(1)，得:

将 c冷=4．2，c套=0．46 代入公式(2)得:

4．2(t1+t2)+0．46t2=(4．2+4．2+0．46)t3。

公式(3)即保温式发动机预热系统预热模型，假设发动机停车10 min后启动，此时预热系统保温壶温度t1约为80℃，当环境温度t2为-20℃时，计算得到预热后发动机气缸温度t3为27℃，相当于夏天的环境温度，因此发动机启动和工作不受任何影响，可见保温式预热系统工作效果显著。

3．3 预热效益分析

(1)节约时间的效益。以哈尔滨市为例，2014年全市汽车拥有量为110万台，设每车每天启动2次，在12月份至3月份机动车冷启动平均每次耗时5 min。而采用保温式发动机预热系统仅需要1 min左右，则可节约的时间为446万h。

2014年哈尔滨市人均工资水平为4 495元/月，每月平均上班时间为22 d，每天平均工作8h，故每小时平均工资为25．53元，则节约时间的效益为1．14 亿元。

(2)节约能源的效益。2014年全市汽车拥有量为110万台，按照以上假设，每年预热时间为557．5万h。实验表明汽车怠速预热平均油耗为2．1 L/h，则需耗油1 170．8万 L。若每升汽油6元，则可计算得到节约能源的效益为7 024万元。

因此，采用保温式预热系统仅哈尔滨市一年便可节约资金2．16亿元。

4 结论

论文用理论计算和模拟实验的方法，对保温式预热系统进行了深入的研究，并得出了保温式发动机预热系统预热模型。

根据保温式发动机预热系统预热模型，即使环境温度低至-20℃，10 h后使用保温式预热系统，发动机气缸温度还可提高到27℃，达到夏天启动的温度，具有良好的预热效果。

此外，保温式发动机预热系统还具有不受电源限制、耗能少的优点。

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