燃油加热辅助热源在商用汽车上的应用

李 杨， 周 舟

（北京汽车研究总院有限公司， 北京 102200）

随着人们对汽车舒适性要求的不断提高，以及国际社会对汽车节能环保认知的进一步加强，更加促进了商用汽车公路物流跨地区流通的快速发展，使得以下4个方面的问题越来越突出：①发动机尤其是柴油发动机在高寒地区的冷起动问题；②高寒地区驻车采暖问题；③低气温情况下，传统发动机利用发动机水温给车身内部提供热源热量不足的采暖问题；④跨温带与寒区的物流车辆燃油箱结蜡及运营成本增加问题。如何解决以上问题，就是本次论文阐述的重点。

1 汽车在低温环境下使用需要解决的问题

1） 低温环境温度下的发动机预热起动问题。在极端严寒工况下，汽车发动机尤其是柴油发动机（柴油发动机与汽油发动机相比，热效率高30%） 冷却液温度较低，发动机机油粘度增大，发动机曲轴起动负荷增大，导致发动机无法正常启动。

2） 驻车休息时暖风装置的热源问题。传统的汽车暖气装置热量由发动机启动后加热的冷却液提供，但当驻车休息需要采暖时，发动机需要持续不断地工作以提供热源，这时发动机功耗大、噪声大，经济性及舒适性很差。

3） 低温环境温度下的驾驶室采暖不足问题。在低温环境下，发动机正常工作时冷却液温度较低，而驾驶室采暖是以发动机冷却液余热做为热源进行采暖的，这时发动机冷却液提供给暖风装置的热量不足，导致驾驶室采暖除霜能力有限，整车舒适性较差。

4） 低温环境温度下低牌号油品使用可靠性问题。一些进行跨区域运输的物流车，在温带加注的低牌号油品，运行到寒区后油箱结蜡（图1），发动机无法工作，影响正常工作，运营成本增加。

图1 油箱结蜡

2 燃油加热辅助热源及关键部件简介

在阐述之前，先需要清楚以下两个基础概念。

辅助热源（Supplementary Heat Source）：在高寒气候条件下，指区别于传统的利用发动冷却液余热给汽车驾驶室采暖、发动机预热冷起动、蓄电池加热、燃油箱加热等需要热保护和需要在一定工作温度下才能保证性能的汽车部件提供热量的热源。

燃油加热器：以碳氢化合物等化学燃料为原料（主要与发动机共用燃料），通过这些燃料在特定装置中燃烧产生热量，以空气或液体为导热介质，具有使这些介质循环的动力装置和热保护等控制系统，把燃烧产生的热量通过这些介质提供给驾驶室暖风系统、发动机缸体预热等需要提供热源的装置。

燃油加热器主要有两种结构，分别是水暖式燃油加热器和气暖式燃油加热器。

2.1 水暖式燃油加热器的结构

水暖式燃油加热器的结构如图2所示。水暖式燃油加热器是以水或防冻液作为导热介质的燃油加热器，具有使导热介质循环的水泵等动力装置和水温控制系统的装置。

图2 水暖式燃油加热器的结构

2.2 气暖式燃油加热器的结构

气暖式燃油加热器以空气作为导热介质的燃油加热器，具有使导热介质循环的鼓风机等动力装置和出气温度控制系统的装置。气暖式燃油加热器的结构如图3所示。

图3 气暖式燃油加热器的结构

2.3 燃油加热器控制面板

燃油加热器控制面板如图4所示。

图4 燃油加热器控制面板

2.4 主油箱燃油传感器总成

主油箱燃油传感器总成如图5所示。

图5 主油箱燃油传感器总成

2.5 液体单向阀

图6 是 一 种“π”字型的四通道液体机械阀，只有2个通路，一条是“一”字型通路，另一通路是“倒几”字型通路，利用4个进出水口的液压差，控制腔体内球阀运动，实现不同的流向控制。其中，燃油加热器停机时阀的状态见图7，燃油加热器工作时阀的状态见图8，燃油加热器停、发动机工作时阀的状态见图9。

图6 “π”字型的四通道液体机械阀

图7 停机时阀的状态

图8 燃油加热器工作时阀的状态

图9 燃油加热器停、发动机工作时阀的状态

2.6 燃油电磁阀

图10所示为一种三通道的电磁导通阀，燃油加热器进油管里的油通过电磁阀控制可以分别来自主油箱和副油箱。

图10 三通道的电磁导通阀

2.7 电磁水阀

图11所示为单向导通电磁阀，控制所串接回路中水道的通断。

图11 单向导通电磁阀

2.8 空气单向导通阀

在通风道内腔截面安装百页窗，百页窗的栅页是轻质柔软薄膜粘贴在塑料骨架上，利用风道通风时内腔截面百页窗两侧风压，正向流通时风压吹开薄膜使风单向流通，反向流通时百页窗薄膜压紧阻断通路的一种空气阀。

3 燃油加热辅助热源在汽车上的应用

3.1 水暖式燃油加热器在汽车上的应用

3.1.1 水暖式燃油加热器在汽车上的安装（图12）

图12 水暖式燃油加热器在汽车上的安装示意图

3.1.2 水暖式燃油加热器的主要功能

1） 利用燃油加热器给发动机预热，解决发动机低温起动问题。

2） 在发动机水温较低，提供给暖风循环水的水温不足时，辅助发动机提高水温，满足驾驶室采暖、除霜、除雾要求。

3） 在高寒地区仍可采用低牌号的油品，解决长途运输车跨区域高低牌号油品气温适应性问题，同时降低油料使用成本，节能降耗。

4） 燃油加热器有过热保护、定时开机预设功能、遥控开机功能。

3.1.3 水暖式燃油加热器的控制策略和工作原理

3.1.3.1 工作原理

工作原理如下：①打开燃油加热器开关（或遥控、或定时），加热器主机通过油泵从发动机油箱吸取燃油在主机燃烧室雾化点燃，燃烧产生的热量加热主机内换热芯体；②燃油加热器主机水泵循环发动机冷却液经过主机换热芯体进行传导加热；③加热的发动机冷却液通过各种控制系统，对发动机、暖风机、油箱进行加热。

依据主油箱油品是否结蜡的情况，具体可分为以下两种情况介绍。

1） 环境温度较低，主油箱油品正常（仪表台综合显示屏显示油温为非结蜡状态），但发动机起动仍有困难，驾驶室采暖效果不良。①先启动燃油加热器，其用油来自主油箱，即主副油箱切换开关H打在主油箱位置，油阀M截止副油箱油路；②同时控制仪表台电磁水阀开关J，使燃油加热器至主油箱上的水阀K关闭，不用为主油箱加热；③待发动机水套内水温上升后再启动发动机，确保一次起动成功。具体步骤分析如下，见图13。

图13 环境温度较低， 主油箱油品正常

2） 环境温度很低，主油箱油品结蜡。①主油箱油品没有解冻之前，根据主油箱油温，先启动燃油加热器，其用油来自高牌号副油箱，即主副油箱切换开关H打在副油箱位置，油阀M截止主油箱油路；②控制仪表台电磁水阀开关J，使燃油加热器至主油箱上的水阀K打开，同时为主油箱加热和驾驶室暖风芯体供热；③主油箱在循环水加热情况下局部油温回升到解冻状态，发动机缸套内的水温回升到发动机热机状态，发动机油管在水管的伴热下解冻，监控仪表台综合显示屏主油箱油温，起动发动机工作，然后操作主副油箱切换开关H打到主油箱位置，油阀M截止副油箱油路；④因为燃油加热器油管b和发动机进油管a与循环水管捆扎，所以油管内油路解冻，不存在油路不通问题。

具体如图14所示。燃油加热器油回路为：E（副油箱）→d（油阀后油管）→C（燃油加热器）。

图14 环境温度很低， 主油箱油品结蜡

3.1.3.2 控制策略

1） 整车配有两个不同容量的燃油箱，主油箱装700L左右0℃低牌号油品，副油箱装20L左右-35℃高牌号油品，驾驶舱仪表台装综合显示屏，通过主油箱油温传感器监控主油箱油温，依此判断主油箱油品是否为非结蜡状态，通过主副油箱切换开关H控制燃油加热器油路切换阀门开关，控制燃油加热器工作用油来自不同牌号油品的油箱。

2） 监控主油箱油温，通过开关J控制燃油加热器至主油箱加热水管循环水阀K开启与否，主油箱油口非结蜡状态时关，结蜡时开。

3） 燃油加热器关闭时，连接燃油加热器与发动机的四通单向水阀，控制发动机循环水不经过燃油加热器循环，与传统发动机冷却回路一样。

4） 进入燃油加热器的油管及发动机吸油管与红色的循环热水管捆扎，确保发动机、燃油加热器所有油路来自主油箱时，油管不结蜡堵塞，因为燃油加热器在利用副油箱预热发动机时，加热的循环水给油管提供热量。

3.2 空气式燃油加热器在汽车上的应用

3.2.1 空气式燃油加热器在汽车上的安装（图15）

图15 空气式燃油加热器在汽车上的安装示意图

加热器主机、燃烧空气进气管、排烟管等安装于驾驶室外面，驾驶室内空气回风管、出风管安装于驾驶室内，排风管与空调箱连通。

3.2.2 空气式燃油加热器的主要功能

1） 在低温环境下，传统利用发动机余热采暖水温低，热量不足，辅助提高暖风装置的采暖、除霜、除雾能力。

2） 在低温环境下，驻车采暖，不用起动发动机，低油耗，能持续工作8h，可以保证驻车时驾驶舱内恒温、静音、节能，提高驾驶舱舒适性。

3） 燃油加热器有预设定时开机功能、遥控开机功能。

3.2.3 空气式燃油加热器的控制策略和工作原理

3.2.3.1 工作原理

1） 打开燃油加热器开关（或遥控、或定时），加热器主机通过油泵从发动机油箱吸取燃油在主机燃烧室雾化点燃，加热主机内换热芯体。

2） 燃油加热器主机风机抽取驾驶室内空气经过主机燃烧室换热芯体进行加热，通过主机排风管吹到空调箱总成，经过空调箱各出风模式，达到除霜、除雾、采暖的不同要求。

3.2.3.2 控制策略

1） 通过燃油加热器控制器可调节4挡不同的出风口温度，使驾驶室内温度可调，可调节驾驶室内温度分别达到10～40℃，当出风口的温度高于80℃时自动停机保护，当关闭燃油加热器时，加热器内的循环风扇会延迟3min给主机降温后停机，保护主机不过热失效。

2） 开空调时（制冷模式），燃油加热器不能开机工作，因为制冷时一般不需要辅助热源，具体见图16所示原理图。

图16 原理图

3） 驻车采暖时，燃油加热器检测蓄电池电压低于23V时，自动停机，确保发动机能正常起动。

4） 当空调鼓风机风量大于等于3挡时，燃油加热器不能开机工作，因为燃油加热器的风机风压此时小于空调鼓风机风压，燃油加热器的热风无法流到空调箱内参与分配。

5） 通过在加热器与空调箱总成连通风管上设计空气单向导通阀，确保空调鼓风机风量大于3挡时，空调的风不倒灌进燃油加热器，影响空调的风量。

4 总结

以上所述燃油加热辅助热源，水暖式和空气式燃油加热器在商用汽车上的应用，尤其是重型柴油商用汽车、大型客车，在高寒地区的应用，已经是国家知识产权局备案的发明专利，汽车根据不同的使用地域气候特点和需求，分别配置这两种燃油加热器总成或同时配置，能有效解决高寒地区发动机冷起动问题、驻车采暖问题、辅助采暖问题、低牌号油在高寒地区使用问题，其中水暖式燃油加热器的主要功能是发动机冷起动和油箱加热，驻车采暖由于需要借助空调鼓风循环风，对整车蓄电池电量消耗较大而不能长时工作，效果大打折扣；风暖式燃油加热器的主要功能是驻车采暖和辅助采暖，没有发动机冷起动和油箱加热的功能，但由于热效率高，广泛应用于大客、重卡等客运和长途运输的车辆上，解决采暖和驻车采暧问题。匹配这两种辅助热源能提高整车在高寒地区使用的可靠性和热舒适性，同时节能环保，有较大的经济效益。