柴油汽车发动机油路防冻系统设计

卢厚元　张斌

摘 要： 本文设计一种柴油汽车发动机油路防冻系统，针对柴油发动机低压油路，采取电涡流加热方式对柴油加热，并在微控制器的控制下，实现防冻加热的智能化。本设计做成的防冻产品，具有加热效率高，安全稳定、使用寿命长等特性，能高效地解决在低温环境中柴油汽车的运行问题。同时，该防冻产品的使用，能节约燃油，减少尾气排放，可降标号使用柴油，节约运营成本。

关键词： 电涡流加热，柴油汽车，柴油，油路，温度，防冻

中图分类号： TN70 文献标识码： A 文章编号： 2095-8153（2017）02-0103-03

0 引言

在低温环境下，柴油汽车发动机只有采取防冻措施才能正常工作。我们知道柴油的凝点和冷滤点都较高，例如0#柴油的凝点为0℃，冷滤点是4℃；-10#柴油的凝点为-10℃，冷滤点是-6℃。柴油在凝点时会凝结成大分子，俗称结蜡，结蜡后的柴油会阻塞发动机整个供油系统，使发动机无法正常工作。而柴油在冷滤点时，虽然没有蜡质析出，也会造成滤清器的阻塞，供油不会畅通，发动机也不能正常工作。因此，柴油汽车在低温环境中工作，首先要把柴油加热到冷滤点以上，以解决其启动（或维持运行）的问题。为节省运营成本，柴油汽车通常要配备加热防冻装置，目前这些防冻装置主要是以电热丝加热的方式对油路的某个部分（多半是柴油油箱）进行加热，存在着加热效率低，能量消耗大，加热可控性差，使用寿命短等问题。本文设计的一种“电涡流加热防冻系统”，利用电涡流加热的方式，对温度采取智能化控制，针对整个低压供油系统进行加热。其效率高，安全性强，控制程度高，使用寿命长，能够较好地解决柴油汽车发动机在低温环境下的启动与运行等问题。

1 电涡流加热防冻系统的结构设计

电涡流加热防冻系统实现对柴油汽车发动机整个低压供油系统的加热防冻管理。低压供油系统的防冻加热系统由柴油油箱加热部分，油管加热部分，粗滤器和精滤器加热部分组成[1]，各部分温度控制与电源管理相匹配，都实行独立控制，并以总线传输方式将各部分工作信息传输给中央控制器进行管理。

柴油油箱内电涡流加热装置如图1所示，它由电涡流加热模块、油量传感器和加热控制电路（板）组成。此加热装置的几何尺寸可做得与油箱大小相匹配。电涡流加热模块放在油箱的底部（加热控制电路板处于油箱的顶部），模块中内置温度传感器以检测油箱内柴油的温度，在吸油管口接上电涡流加热用发热管，发热管由具有抗柴油腐蚀性、电阻小、热传导系数大的合金材料制成，其上绕制感应加热线圈，感应线圈与加热控制电路板和电源相连，当线圈通以交变电流时，产生交变磁场，处于此交变磁场中的发热管会迅速发热，使流经发热管的柴油快速吸收热量而升温[2]。与传统的电热丝加热方式相比，电涡流加热方式发热迅速，特别是电涡流加热过程中感应线圈不发热，能量消耗小，热转换效率高，感應线圈及电路都与柴油完全隔离，线圈不易损坏，使用寿命很长。

柴油滤清器（包括粗滤器和精滤器）电涡流加热装置（包括励磁线圈、保温套）如图2所示，滤清器加热装置设计为电涡流加热保温套（套内安放励磁线圈）与滤清器外壳的组合。电涡流加热保温套贴紧包装在柴油汽车原装滤清器的外壳上，当线圈通入高频交流电时，产生的高频交变电磁场作用在滤清器的铁制外壳上，使滤清器迅速发热[2]。滤清器的热传导系数高，热量很快传递给壳内部的柴油，而壳外紧贴的保温装置，使热量不往外散失。实践证明，这种对滤清器实行的电涡流加热方式，其效率比电热丝加热方式高70%左右。为使滤清器整体受热且受热均匀，加热保温套内感应线圈采用两个线圈对称绕制，每个线圈都绕制成较大的平面面积（与滤清器大小相对应），两线圈串联，绕制方向相反，使产生的磁场叠加，增强磁感应强度，增大电涡流强度，提高电热转换效率。为便于安装和拆卸，电涡流加热保温套在结构上设计成开口形式，能够匹配于各种规格车辆的滤清器。滤清器加热装置由内置的MCU控制，它能够根据柴油的温度确定加热的启动与停止，还可根据环境与柴油的温度参数调整加热功率的大小，为柴油发动机正常工作，保障了最佳温度状态的柴油供给[3]。

输油管采用内置电热保温装置，独立工作，并受MSU控制。

2 电涡流加热防冻系统的电路设计

电涡流加热系统的电路如图3所示，它由直流稳压电源（附有抗干扰电路），高频信号产生电路，微控制器电路（附有传感器、反馈、检测及显示电路）以及功率驱动电路四个主要部分组成。

功率驱动电路由场效应管VT2及电涡流加热线圈RL与CL组成的并联谐振电路组成[4]，由IC1及其对应连接电路构成的高频信号产生电路，产生符合频率要求的高频方波信号，经由功率驱动电路提升功率后去驱动负载即电涡流加热线圈，产生的高频电磁场，就会使处于电磁场中的紧贴线圈的滤清器外壳（或油箱内的电涡流发热金属管）产生电涡流，使外壳（或发热管）迅速发热，使柴油快速升温。电磁线圈紧贴着滤清器外壳（或发热管），要想外壳（或发热管）发热，只有形成反射式电涡流才能实现，因此作用于感应线圈的励磁信号必须是高频信号[2]。

高频方波信号的频率值设定在RL与CL的并联谐振频率上，这样就能在加热线圈上产生最大的功率，加热效率为最高[4]。

功率驱动电路和高频信号产生电路的工作状态受微控制器IC2控制，主要控制电涡流加热的启动、停止和加热功率的大小。外接的温度检测电路，利用传感器检测到的环境温度以及柴油温度进行对比分析，由事先设定的程序决定振荡是否产生，从而确定是启动加热还是停止加热。加热启动后，根据油路中各个部分的油温及环境温度差确定各个部分加热功率的大小，其方式是由输入的环境温度及柴油温度之差改变振荡信号的频率或方波信号的脉冲宽度，调整激励线圈中电流的大小，从而控制电涡流加热的功率，确保进入高压油路的柴油温度稳定在使发动机工作的最适宜范围[5]。

直流电源设置了抗干扰处理电路，再经降压、稳压及滤波处理，为各个部分电路提供稳定的工作条件，同时保障信号能量的高效率转换[6]。

3 结语

本文描述的是柴油发动机油路防冻系统在硬件结构及电路方面的设计，在此基础上再输入控制程序，就能制成实用的柴油汽车发动机油路防冻装置成品。由该防冻装置制成的样件，首先经历了实验室的检测试验，符合设计要求后，再加装在客车和卡车上试用，其性能都达到了预期目标。表现在：此防冻装置的热效率高，性能安全稳定，使用寿命长；在相同的低温环境中，柴油汽车对使用柴油的标号要求降低了，从而使客户的运营成本降低；程序化的温度控制，使进入高压油路时的柴油温度为最佳状态，使喷入汽缸的柴油充分雾化，燃烧效果更理想，节约了能源，减少了尾气排放；该防冻装置受微控制器控制，还设置了对车辆运行、电池充放电及发动机运行状态的检测或故障报警功能。

[参考文献]

[1]倪桂荣，王卫兵，等.汽车构造[M].天律：天津科学技术出版社，2012：123-146.

[2]董春利.传感器与检测技术[M].北京：机械工业出版社，2011：58-62.

[3]贺展开，龚晓艳，等.汽车传感器的检测[M].北京：机械工业出版社，2012：60-72.

[4]胡宴如.高频电子线路（第5版）[M].北京：高等教育出版社 2012：41-53.

[5]黄 鹏.汽车单片机应用技术[M].北京：机械工业出版社 2010：135-162.

[6]胡宴如.模拟电子技术（第5版）[M].北京：高等教育出版社，2013：217-223.