李志磊

Li Zhilei

（武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

分層電加熱裝置對提高發(fā)動機冷啟動能效的研究

李志磊

Li Zhilei

（武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

在中國高緯度地區(qū)，冬天溫度可達零下20 ℃，發(fā)動機預(yù)熱暖機時間長。傳統(tǒng)的燃油加熱器燃油消耗量大、體積大，電加熱器具有零排放、無污染、空間占位小等優(yōu)點，但是受限于電池功率，電加熱裝置加熱時間較長，系統(tǒng)流道阻力較大。在電加熱裝置功率一定的前提下，通過設(shè)計分層加熱結(jié)構(gòu)和低流阻結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)合冷卻循環(huán)流量的控制，顯著降低發(fā)動機的預(yù)熱時間。針對特定發(fā)動機的水冷循環(huán)結(jié)構(gòu)，研究不同進出口溫度條件下，分層加熱時間隨流量變化的規(guī)律，建立分層電加熱裝置的傳熱模型；進行加熱系統(tǒng)和發(fā)動機水套的聯(lián)合工況的性能分析。電加熱裝置結(jié)構(gòu)緊湊，布置方便，可使發(fā)動機的暖機時間縮短2～3 min，并可減少發(fā)動機的冷啟動排放。

電加熱；傳熱；建模；仿真

0 引 言

高緯度地區(qū)冬季比較寒冷，氣溫通常會比較低，停車場的位置較緊張，很多汽車就會停放在室外，而室外溫度通常在零下十幾攝氏度甚至零下幾十?dāng)z氏度。在這樣的低溫條件下，車輛的啟動會很困難，同時低溫啟動會對車輛的使用性能產(chǎn)生很大的負面影響，甚至影響使用壽命。駐車加熱器的出現(xiàn)，使汽車低溫冷啟動的危害得到改善。隨著近年來人們對乘車舒適性的要求不斷提高，駐車加熱器的應(yīng)用變得越來越廣泛。

在低溫環(huán)境下，分層電加熱器通過設(shè)計分層結(jié)構(gòu)，可以將冷卻液一層層加熱，有效縮短了發(fā)動機暖機時間，能夠使發(fā)動機迅速進入正常工況，為人們的出行提供了很大的便利。

1 裝置描述

在北方寒冷的冬季，發(fā)動機啟動時，冷卻液溫度很低，經(jīng)發(fā)動機氣缸壁傳熱溫度升高的冷卻液流經(jīng)電加熱裝置后溫度繼續(xù)升高，被加熱的冷卻液流進發(fā)動機機體，這樣使得循環(huán)流動的冷卻液溫度升高較單獨靠發(fā)動機自身傳熱升高得快。電加熱裝置在發(fā)動機冷卻系統(tǒng)中的布置［1］如圖 1所示，其布置于暖風(fēng)機進水軟管管路上。

圖1 電加熱裝置布置圖

其工作原理：在寒冷季節(jié)，發(fā)動機啟動后，打開暖機開關(guān)，冷卻液在水泵的作用下經(jīng)暖機進水軟管流經(jīng)電加熱裝置后，經(jīng)出水軟管流進發(fā)動機水套；由于冷卻液的循環(huán)速度快，所以這種預(yù)熱器的功率很大，使預(yù)熱速度顯著提高，預(yù)熱時間顯著縮短，熱損失和耗電量降低。

為了縮短加熱時間，將加熱裝置分為 3層，如圖2所示。第1層電熱絲功率最大，功率依次遞減，第3層功率最小。第1層的冷卻液最先加熱，先流經(jīng)發(fā)動機。

圖2 電加熱裝置分層結(jié)構(gòu)

2 模型的建立

研究內(nèi)容涉及發(fā)動機熱容模型、機體給冷卻液傳熱模型、冷卻液給機體反向傳熱模型以及機體壁面與空氣導(dǎo)熱模型。

2.1 發(fā)動機熱容模型

某車型的發(fā)動機水套容積為V，防凍液溫度由環(huán)境溫度T1升高到發(fā)動機啟動溫度T2時，按容積計算防凍液需求熱量為

式中，Qcoolant為防凍液需求熱量，kJ；Ccoolant為防凍液比熱，kJ/（kg·K）；ρ為防凍液密度，kg/m3；V為防凍液體積，L；ΔT1為防凍液溫差，K。

某車型選擇一定功率的電加熱裝置，考慮加熱器放熱量 60%被冷卻液吸收，則發(fā)動機低溫啟動所需時間為

即

式中，P為電加熱器額定放熱量，kW；t為電加熱時間，min。

同理，可以得到發(fā)動機的熱容模型［1］

式中，QEngine為發(fā)動機機體容納的熱量，kJ；m為發(fā)動機質(zhì)量，kg；ΔT2為機體溫差，K；CEngine為發(fā)動機比熱，kJ/（kg·K），機體比熱與機體材料、機體質(zhì)量等因素有關(guān)。

發(fā)動機屬于熱機，因此對發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)分析時，將發(fā)動機作為熱流源來考慮。發(fā)動機與冷卻液的熱交換特性可以用發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和對應(yīng)功率的函數(shù)來表示［2］

式中，H為發(fā)動機殼體與發(fā)動機內(nèi)部冷卻管路的熱交換量；nE為發(fā)動機轉(zhuǎn)速；PE為對應(yīng)nE下的發(fā)動機最大功率。

發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的熱容單元主要用來計算熱流體在通過定熱容單元時的溫度T和壓力P，其微分方程可表示為［2］

式中，dH為進入該容積的熱量；cρ為流體的比熱，可以根據(jù)流體的工作壓力和溫度得到；ρ為流體的密度；dp/dt為壓力相對時間的微分；V為發(fā)動機冷卻管路的容積。

進入該容積的熱量dH可以細分為

式中，dmh1和dmh2為進入到單元體內(nèi)的熱流量；dh為單元體與外界的熱交換量；dm1和 dm2為進入單元體內(nèi)的質(zhì)量流量；h為冷卻液的熱量。

2.2 發(fā)動機模型的建立

研究的發(fā)動機模型包含機體給冷卻液傳熱模型，冷卻液給機體傳熱模型和機體與空氣導(dǎo)熱模型3個。

2.2.1 機體給冷卻液傳熱模型

發(fā)動機剛啟動時，冷卻液溫度很低，由于電加熱器剛工作，冷卻液溫升不如發(fā)動機機體給冷卻液的加熱，此時，機體給冷卻液傳熱。

一般來說，傳熱過程包括串聯(lián)著的3個環(huán)節(jié)：

1）從熱流體到壁面高溫側(cè)的熱量傳遞；

2）從壁面高溫側(cè)到壁面低溫側(cè)的熱量傳遞，即穿過固體壁的導(dǎo)熱；

3）從壁面低溫側(cè)到冷流體的熱量傳遞。

由于是穩(wěn)態(tài)過程，通過串聯(lián)著的每個環(huán)節(jié)的熱流量Ф應(yīng)該是相同的。設(shè)機體壁面表面積為A，熱流量表達式為

式中，A為機體壁面積，m2；T4為此時冷卻液溫度，K；T3為此時機體壁面溫度，K；k為傳熱系數(shù)，W/（m2·K），是表征傳熱過程強烈程度的標(biāo)尺，傳熱過程越強，傳熱系數(shù)越大，反之則越小。傳熱系數(shù)的大小不僅取決于參與傳熱過程的流體種類，還與過程本身有關(guān)，如流速的大小、有無相變等。

2.2.2 冷卻液給機體反向傳熱模型

發(fā)動機啟動后，發(fā)動機怠速功率很低，電加熱器迅速給冷卻液加熱，冷卻液溫升快，此時，冷卻液反過來給機體傳熱。其傳熱過程與2.2.1分析過程相反，熱流量為

式中，A為機體壁面積，m2；T5為此時冷卻液溫度，K；T6為此時機體壁面溫度，K；k為傳熱系數(shù)，W/（m2·K）。

2.2.3 機體壁面與空氣導(dǎo)熱模型

發(fā)動機啟動運轉(zhuǎn)一段時間后，發(fā)動機機體迅速升溫，此時，壁面對空氣傳熱。此過程中發(fā)動機繼續(xù)產(chǎn)生熱量，而且冷卻液繼續(xù)給機體加熱，但此過程中機體將與外界傳熱，當(dāng)冷卻液與機體的溫度相等為T4時，該過程結(jié)束。在此過程中外界環(huán)境可以看作是一個恒溫系統(tǒng)。

由導(dǎo)熱基本定律［3］，熱流密度的表達式為

在穩(wěn)態(tài)過程中，垂直于 x軸的任一截面上導(dǎo)熱量都是相等的。將式（13）對x作從0到δ的積分，得

式（16）為當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)時一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的熱量計算式。

式（13）—式（16）中，λ為導(dǎo)熱系數(shù)；T為溫度，K；T1為機體溫度，K；T2為環(huán)境溫度，K；δ為機體壁平均厚度，m。

2.3 電加熱器—發(fā)動機聯(lián)合模型

發(fā)動機冷卻系統(tǒng)基本原理如圖 3所示。當(dāng)發(fā)動機冷啟動時，冷卻液的溫度較低，這時節(jié)溫器將冷卻液流向散熱器的通道關(guān)閉，使冷卻液經(jīng)水泵入口直接流入機體或者氣缸蓋水套，以便使冷卻液迅速升溫，這就是所謂的“小循環(huán)”；當(dāng)冷卻液溫度達到規(guī)定值后，石蠟開始融化逐漸變成液體，節(jié)溫器閥開啟，這時冷卻液經(jīng)由散熱器和節(jié)溫器閥，再經(jīng)過水泵流回發(fā)動機，進行“大循環(huán)”［4-5］。

圖3 發(fā)動機冷卻系統(tǒng)簡化結(jié)構(gòu)

基于AMEsim的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)模型如圖4所示。先建立簡單的冷卻系統(tǒng)模型，然后在此基礎(chǔ)上建立加熱裝置模型，加熱裝置模型布置在發(fā)動機出水端。圖4中k為0，表示不給加熱裝置加熱，也就是未設(shè)置加熱裝置的冷卻系統(tǒng)。

圖4 發(fā)動機冷卻系統(tǒng)模型

圖5是基于AMEsim的電加熱器和發(fā)動機的聯(lián)合模型，圖6是heater集成模型的內(nèi)容。由圖6可知，設(shè)置1個k為1 000，其余2個為0，表示分1層；2個k為1 000，1個k為0，表示分2層；3個k均為1 000，表示分3層。

圖5 電加熱器-發(fā)動機聯(lián)合模型

圖6 加熱器子模型

3 仿真分析

對所搭建的仿真模型給定加熱器功率為1 000 W進行仿真分析。

3.1 參數(shù)設(shè)置

仿真中對冷卻系統(tǒng)的工作過程做出如下假設(shè)［6-8］：

1）仿真時認為，冷卻液在流動時，冷卻系統(tǒng)中不同位置的散熱強度是均勻的，所以在冷卻液流動過程中，系統(tǒng)中同一個管路中的各個地方的溫度都是一樣的，沒有溫差存在，也就是各部件的溫度是均勻的；

2）冷卻液在冷卻系統(tǒng)中的流動方向只有一個；

3）系統(tǒng)中冷卻水泵的作用主要是提供冷卻液流動動力，本身的散熱作用非常小，因此在建模過程中沒有考慮冷卻水泵的散熱性。研究所采用的某型號發(fā)動機參數(shù)［9］見表1，發(fā)動機冷卻系統(tǒng)主要參數(shù)見表2。

表1 某型號發(fā)動機參數(shù)

表2 冷卻系統(tǒng)主要參數(shù)

3.2 仿真結(jié)果

仿真結(jié)果如圖7—圖9所示。圖中淺色實線代表的是未安裝加熱裝置時，冷卻液溫度從-20 ℃上升到90 ℃所需時間；深色實線代表的是安裝加熱裝置后，冷卻液溫度從-20 ℃上升到90 ℃所需時間。其中，圖7—圖9分別為加熱裝置分1—3層時，加熱時間的對比曲線。

圖7 加熱裝置分1層時，加熱時間對比曲線

圖8 加熱裝置分2層時，加熱時間對比曲線

圖9 加熱裝置分3層時，加熱時間對比曲線

4 結(jié) 論

研究首先對整個電加熱裝置進行描述，然后建立發(fā)動機的模型以及電加熱裝置和發(fā)動機的聯(lián)合模型，最后進行仿真分析，得到如下結(jié)論。

通過仿真結(jié)果可知，冷卻液溫度從-20℃升高到90 ℃，未安裝加熱裝置時，需要400 s；將加熱裝置分為1層時，需要330 s；分為2層時，需要280 s；分為3層時，需要250 s。

由此可知，在高緯度地區(qū)寒冷的冬季，裝備加熱裝置后，冷卻液達到發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)所需溫度的時間會有所縮短，當(dāng)加熱裝置被分為2層時，能縮短2 min；分為3層時，能縮短2.5 min。

研究對減少發(fā)動機的排污量，延長發(fā)動機的使用壽命具有實際的意義。同時，也為后續(xù)研究發(fā)動機冷啟動提供了一定的方法和資料。

［1］陶文銓. 傳熱學(xué)［M］. 西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2006.

［2］譚罡風(fēng). 重型汽車動力傳動系熱管理系統(tǒng)研究［D］. 武漢：武漢理工大學(xué)，2011.

［3］Lui， C. Electric Thermal Management Architectures ［J］. SAE Technical Paper 2013-01-2164.

［4］C S.， Sundaram V.， S S.. Simulation of Split Engine Cooling System ［J］. SAE Technical Paper 2015-26-0196.

［5］Confer K A， Kirwan J.， Engineer N.. Development and Vehicle Demonstration of a Systems-Level Approach to Fuel Economy Improvement Technologies ［J］. SAE Technical Paper 2013-01-0280.

［6］晉世強. 駐車加熱器在商用車上的應(yīng)用及試驗研究［D］. 濟南：山東大學(xué)，2013.

［7］Cooling system standards committee. Laboratory Testing of Vehicle and Industrial Heat Exchangers for Heat Transfer and Pressure Drop Performance ［J］. SAE J， 1994.

［8］Arici O.， Johnson J.， Kulkarni A.. The Vehicle Engine Cooling System Simulation Part 1 - Model Development ［J］. SAE Technical Paper 1999-01-0240， 1999.

［9］佘翔. 基于 AMESim的汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)仿真分析［D］. 西安：長安大學(xué)，2014.

U464.142+3

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2016.05.002

1002-4581（2016）05-0003-05

2016-03-11