柴油机冷起动辅助措施的匹配优化试验研究

张艳辉，于 翔（中国第一汽车股份有限公司技术中心，长春 130011）



柴油机冷起动辅助措施的匹配优化试验研究

张艳辉，于 翔
（中国第一汽车股份有限公司技术中心，长春 130011）

摘要：重点论述了柴油机冷启动辅助装置燃油加热器的选型试验。对燃油加热器优劣的评价指标进行了分析研究，提出了燃油加热器的评价方法。最后通过样本CFD分析，优化了燃油加热器与发动机之间水路系统的匹配，实际效果进行了试验验证。

关键词：冷起动；燃油加热器；选型试验；匹配优化

前言

冷起动性能是柴油机的重要性能之一，发动机必须具备良好的冷起动性能，才能保证车辆的低温环境下的正常工作。从市场调查及发动机整车标定试验统计，在环境温度-35 ℃以上条件下，车辆基本都能在设计目标时间内顺利起动成功。但在环境-40 ℃以下，如果车辆不加装特殊的辅助起动装置，基本无法自然起动。

1　燃油加热器

燃油加热器是目前普遍采用的一种辅助预热装置。它的工作原理是：油料在燃油加热器的燃烧器内燃烧，将热量通过热交换器传递给冷却液来加热发动机整机。发动机被加热后，气缸、活塞、活塞环以及各轴承的温度升高，存在于这些摩擦副之间的机油温度也随之升高，降低了起动阻力，增加了起动转速，从而提高了压缩终了时的温度与压力，使发动机很容易起动。其工作原理如图1所示。

图1　为燃油加热器工作原理示意图

2　燃油加热器的选型试验

2.1 选型产品

某项目在整车冷起动方面开发目标定为：整车在-41 ℃环境条件下发动机成功起动。柴油发动机型号为CA6DL2-35E3R，在4款产品中进行燃油加热器选型试验。其中A和B产品为国外对标产品，C和D是本次试验的选型样本产品。选型试验的4款产品的具体参数如表1所示。

2.2 具体试验方案

1）将装有发动机的标准台架置于环境仓内，环境仓温度设定在-41 ℃，经同温处理12 h以上，冷却液温度（发动机出水温度）和机油达到-40±1 ℃后方可进行试验。

2）同温处理满足试验条件后，开始试验。以起动加热器按钮开始计时，22 min后关闭加热器，启动发动机。

2.3 选型试验结果分析

1）冷却液水温度升温效果

选型试验结束时刻，各冷却液温度测量点的数据见表2。

从燃油加热器使用目的出发，加热发动机内部机体是最终目的，所以在相同时间内，以发动机内部机体加热程度做为评价燃油加热器性能好坏的最主要指标。

用发动机出水温度代表缸体加热程度，做为加热效果的主要判定依据。根据试验结果比较，发动机出水温度从高到低排序依次为：B＞A＞D＞C。

2）耗电量

影响柴油机低温冷起动的主要因素之一是起动力矩，起动前的蓄电池电量的多少，决定起动力矩的大小。蓄电池电量的剩余量是评价燃油加热器的另一个主要参数，表3中为试验测量数据。耗电量从多到少依次是：C＞D＞B＞A。

注：用电量计算公式为=òVIDt Q

3）拖动转速

燃油加热器工作22 min后，关闭加热器，起动发动机起动，对比4次选型试验发动机起动结果如表4所示。

拖动转速的高低直接影响发动机是否能顺利起动，从上述数据分析，4次试验发动机起动的拖动转速，均已经满足发动机起动条件，通过数据对比，最利于发动机起动条件依次为：B＞A＞D＞C。

表1　4款柴油发动机的具体参数

表2　各冷却液温度测量点的数据

表3　柴油机耗电量试验测量数据

表4　4次选型试验发动机起动结果对比

通过从冷却液温度、用电量和发动机起动验证3项指标进行比较，D样品优于C样品，所以最终选择D样品。

3　D型燃油加热器装机后发动机预热性能的匹配优化

燃油加热器加热效率、加热器的耗电量等指标的差异，是由于燃油加热器本体性能差异所决定。但燃油加热器对发动机机体的加热效果，还与燃油加热器与发动机连接水路的匹配设计有很大关系。为了更好的优化D型燃油加热器的预热性能，现进行了D型燃油加热器装机匹配优化。

3.1 燃油加热器与发动机的连接水路原方案（选型试验方案）

原连接方式照片和示意图如图2所示。图2a）中圈1标记为加热器进水口，圈2标记为加热器出水口。

图2b）中虚线表示燃油加热器工作时的循环水路，燃油加热器加热的冷却液从发动机上部节温器前端进入发动机，冷却液在发动机机体内循环后，从水泵处加装的出口流出，进入加热器进水口，形成循环闭合回路。图中实线表示发动机工作状态，节温器关闭条件下，为内部循环水路。

3.2 水路控制阀门

对于发动机总成来说，发动机出水口位于机体上端，发动机入水口（水泵）位于机体下端，发动机机体的循环水路与燃油加热器工作的循环水路正好相反，所以在发动机入水口（水泵）与燃油加热器连接管路之间增加了控制阀门。在使用燃油加热器前将此阀门打开，燃油加热器工作结束后，发动机起动之前，此阀门必须关闭，防止发动机起动后，燃油加热器内水流逆向循环损坏燃油加热器。

3.3 燃油加热器的加热效果

对比燃油加热器进出水温差与发动机缸体前、中和后表面温度分布，22 min试验结束时刻数据如表5所示。

由表5可知以下两点：

1） 燃油加热器进出水温差比较大；

2）发动机缸体表面温度不均匀。

图2　选型方案的照片及水路示意图

表5　燃油加热器加热效果试验结束时刻数据

发动机缸体表面温度不均匀，初步分析由于燃油加热器工作过程中，发动机机体内的水流分配不合适造成的。由于机体内的水流量分配不合适，出现局部升温过快现象，同时环境温度很低，加快了局部机体表面的散热，散去的热量过多，造成燃油加热器进水口温度较低（体现在燃油加热器进出水温差比较大）。

3.4 燃油加热器与发动机连接水路系统的优化

3.4.1 选型试验发动机循环水路分析

从选型试验燃油加热器与发动机连接水路进行分析，此工程应用属于流体力学中的并联管路水流量分配原理。

图3　选型方案并联水路示意图

将发动机内部水路简化成小循环水路、缸盖水套、缸体水套和机油冷却器水套如图2b）所示。

选型试验中的水路布置分配如图3所示。

a点上流量为：

并联节点a、b间的阻力损失，从能量平衡观点来看，无论是1支路还是2支路均等于a、b两节点的压头差。

设S为并联管路的总阻抗，Q为总流量：

将上式整理得出：

于是得到并联管路计算原则：并联节点上的总流量为各支管中流量之和；并联各支管上的阻力损失相等。总的阻抗平方根倒数等于各支管阻抗平方根倒数之和。

进一步分析式（4），将它变为：

此式即为并联管路流量分配规律。它的意义在于，各分支管路的管段几何尺寸、局部构件确定后，按照节点间各分支管路的阻力损失相等，来分配各支管上的流量，阻抗S大的支管其流量小，S小的支管其流量大。

从燃油加热器试验得出发动机缸体表面加热不均匀，此现象是由于发动机水路循环系统中，两条并联管路水流量分配有差异造成的，即是两条并联管路中阻抗有明显大小差异。

3.4.2 发动机水路计算分析

为了明确发动机水套内部各部分的压力分布，进行了发动机整机CFD分析。

下图4是整个水套的压力分布情况，在350 L/min流量时，各部分的压降值如下：

图4　压降结果

机冷器水套部分压降：0.14 bar

缸体水套部分压降：0.27 bar

缸盖水套部分压降：0.5 bar

小循环水路部分压降：0.02 bar

从分析结果可以得出，以上四部分水路的阻力比值关系如下：

小循环水路：机冷器水套：缸体水套：

缸盖水套=1：7：13.5：25。

由于发动机水路结构是固定的，水路个部分阻力的比值不会随水流量的变化而变化，所以此阻力关系可以应用在燃油加热器水路匹配关系中。

3.4.3 燃油加热器水路匹配

根据CFD计算结果可以知道，在原连接方式中，两条管路的阻力为1：45.5，配比严重失衡。通过调整小循环水路、缸盖水套、缸体水套和机油冷却器水套，这些主要水路部件在管路1和2中的位置，使1和2管路中的阻力近似相等，来优化并联管路，使燃油加热器的加热效果达到最佳状态。

通过更改发动机机体部分磨具，重新确定了燃油加热器与发动机连接的进出水口的位置，见图5。

图5a）中圈1标记为加热器进水口，圈2标记为加热器出水口。示意图中虚线表示优化后的燃油加热器工作循环水路。示意图如图6表示。

重新布置后并联管路1和2的阻力比为26：20.5，两条管路的阻力配比基本达到平衡；同时由发动机机体后端入水，使得燃油加热器工作的循环水路与发动机机体的循环水路方向相同，取消了水路控制阀门，不用担心由于误操作而使得燃油加热器损坏，一举两得。

3.5 优化后的开发验证性试验

按照优化后的设计，重新制作了发动机试验台架。按照选型试验的试验方法进行了低温环境台架试验，具体试验结果如表6所示。

从试验结果上看，燃油加热器的进出水温差在5-6℃之间，比选型试验降低了5 ℃，而发动机缸体表面温度从前至后，温度分布基本均匀，解决了选型试验中出现的问题。

图5　改进方案的照片及水路示意图

图6　改进方案并联水路示意图

4　结束语

在整车匹配燃油加热器项目开发过程中，通过燃油加热器选型试验，根据冷却液水温度升温效果、耗电量、拖动转速等评价条件，选择了D型燃油加热器。并通过流体力学中的并联管路水流量分配原理，CFD分析燃油加热器和发动机连接水路，及不同水路结构对燃油加热器加热效果的影响差异，优化选型试验的循环水路结构。总结出以下两方面结论：

1）确立了燃油加热器的评价方法，明确了评价燃油加热器性能的技术参数；

2）通过CFD分析发动机水套各部分的压降，以流体力学中的并联管路水流量分配原理为依据，优化燃油加热器与发动机的水路联接，使得燃油加热器的作用发挥到最大。

表6　优化后的开发验证性试验结果

参考文献：

[1]禹华谦. 工程流体力学[M].北京：高等教育出版社, 2004, 129～130.

[2]汪小年,郑胜国,钱刚. 柴油机冷起动分析及改善方法探讨[J].重庆通信学院报, 2005, 24(2):86～88.

[4] 陈家瑞. 汽车构造上册[M].北京：机械工业出版社 , 2011.

[5] 菲尼莫. 弗朗茨尼 著. 流体力学及其工程应用[M].北京：清华大学出版社 , 2003.

[7] 刘海涛. 车用燃油加热器的优化设计与计算[M].济南：山东大学, 2005.

张艳辉（1965-），女，硕士，高级工程师，主要从事整车试验方面的研究。

Research on the Matching Optimization Experiment for Support Measure of Cold Start of Diesel Engine

ZHANG Yan-hui, YU Xiang
(R&D Center of, China FAW Co.,Ltd., Changchun 130011)

Abstract：This paper mainly discusses the selection experiments for diesel heater with diesel engine start assistant statement. With the analysis and research for diesel heater's advantage and disadvantage evaluation specification, the diesel heater selection evaluation method is proposed. Finally, through the analysis of CFD sample, matching between diesel heater and engine water flow system is improved, and the actual effect is tested and verified.

Key words：cold-start; diesel heater; selection experiment; match improvement

作者简介:

中图分类号：U467.2+1

文献标识码：A

文章编号：1004-7204（2016）01-0047-06