岳巍強，王朔，劉炳均，劉峰運

?

高原高寒地域中重型車輛進氣預熱 起動輔助裝置研究

岳巍強1，王朔1，劉炳均1，劉峰運2

（1.軍事交通運輸研究所，天津 300161；2.北京京威汽車設備有限公司，北京 100022）

解決高海拔地域中重型越野車輛的起動困難問題。從進氣溫度對車輛起動的影響因素入手，系統(tǒng)地研究幾種典型進氣預熱型式的優(yōu)缺點。針對中型和重型兩臺越野車的具體情況，設計選型集中加熱的電阻型格柵式進氣預熱器。經(jīng)設計計算和反復測試，確定兩型加熱器的尺寸和功率等主要參數(shù)和控制策略，計算分析與車載蓄電池的匹配關系。對兩型進氣預熱器進行實車安裝后，分別經(jīng)過實驗室試驗和野外現(xiàn)場驗證，在－30 ℃實驗室常壓環(huán)境和－27 ℃的高原環(huán)境條件下，兩型車輛均能在3 min內(nèi)順利起動。在高原高寒地域，格柵式電阻進氣預熱器可有效解決－30 ℃以上溫度范圍的起動困難問題。該裝置結(jié)構簡單、安裝方便、可靠性高，便于中重型車輛加裝使用，為該類問題提供了有效的技術解決途徑。

高原高寒；進氣溫度；集中預熱；電阻格柵

高原氣候環(huán)境具有大氣壓力低、氣溫低和晝夜溫差大等特點。在高原環(huán)境下，海拔每升高1000 m，大氣壓力下降9%，同時溫度下降6.5 ℃。海拔越高，年低溫期也越長，海拔4000 m以上的地區(qū)為常年固定冷區(qū)，年平均氣溫在－4 ℃以下，冷期大于5個月，極端最低氣溫低達－27~－45 ℃[1]。青藏線兩個節(jié)點地域近10年的溫度統(tǒng)計情況見表1。

特殊的地理環(huán)境和氣候特點導致高原地域車輛起動困難成為普遍性問題，給車輛裝備的使用帶來極大不便。低溫起動性能作為越野車輛的重要指標，受進氣溫度、冷卻液溫度、機油溫度、燃油特性、噴霧特性、蓄電池低溫放電性能等多種因素影響，一直是業(yè)內(nèi)的難題[2-3]。歸結(jié)起來，越野車柴油機冷起動困難的根本原因為：發(fā)動機運轉(zhuǎn)的阻力參數(shù)和燃燒動力參數(shù)不相匹配，也就是當活塞達到上止點附近時，燃燒室內(nèi)沒有形成足夠數(shù)量的可燃混合氣對外做功，并克服外界阻力[4]。文中針對高原高寒地域車輛起動困難問題，以中型和重型兩臺越野車輛為主要研究載體，分別從進氣預熱、發(fā)動機預熱和蓄電池加熱等方面著手研究，探索相關措施對車輛起動的輔助作用，為該問題的解決提供技術途徑。

表1 青藏線五道梁和沱沱河地區(qū)近10年氣溫情況 ℃

柴油機的著火條件是壓縮終點壓力達到3 MPa，并且溫度達到200 ℃[5]。在高原高寒地域，由于多數(shù)時間氣溫低，進入氣缸的空氣溫度偏低，導致混合氣溫度過低，并且發(fā)動機機體過冷，燃燒室周邊機件散熱快，導致柴油霧化質(zhì)量差，混合氣著火滯后期延長，缸內(nèi)環(huán)境不容易達到柴油著火溫度條件，造成起動困難。當進入柴油機的空氣溫度低到一定程度，就會因壓縮終點溫度過低而使柴油機不具備著火條件，從而致使起動失敗[6]。柴油機進氣溫度和壓縮溫度的關系可用式（1）表示：

式中：1為進氣溫度，K；2為壓縮空氣溫度，K；1為壓縮前燃燒室容積，L；2為壓縮后燃燒室容積，L；為壓縮過程多變指數(shù)。

由式（1）可知，燃燒室容積一定則壓縮比不變，因此若要提高發(fā)動機的壓縮混合空氣溫度，必須提高進氣溫度。

1 車用發(fā)動機進氣預熱研究現(xiàn)狀

發(fā)動機進氣預熱是從柴油機低溫起動困難的源頭著手，用輔助發(fā)熱裝置對進氣進行加熱以提高混合氣溫度，使發(fā)動機能在較低環(huán)境溫度條件下順利起動。多年來，國內(nèi)外同行業(yè)在相關領域進行了廣泛研究[7-8]，如文獻[7]開展了柴油機冷起動現(xiàn)狀的研究，文獻[8]為研究柴油機高原環(huán)境適應性的專著。通過不斷的發(fā)展和實踐，相繼開發(fā)了多種進氣預熱裝置[9-11]，從發(fā)熱原理到結(jié)構形式都各有不同。

1.1 常用進氣預熱方式

以進氣預熱方式分，一般有集中式加熱和分缸式加熱兩種。前者一般利用加熱裝置在進氣總管部位對進氣進行加熱，優(yōu)點是結(jié)構相對簡單，易于控制并加熱效率高；缺點是加熱部位距離氣缸相對較遠，空氣經(jīng)過溫度較低的進氣歧管后會有部分熱量損失。后者一般是將多個加熱裝置并聯(lián)布置到進氣口附近，分別對每個氣缸的進氣進行加熱，優(yōu)點是加熱效果更好，同時也不可避免存在結(jié)構相對復雜，故障點較多等缺點。

1.2 常用進氣預熱器結(jié)構

從進氣預熱器的結(jié)構型式上分，一般有點熱式加熱器和通過式加熱器兩種。前者一般采用預熱塞式結(jié)構，利用一個或幾個預熱塞加熱進氣口周邊空氣。其優(yōu)點是結(jié)構相對簡單，易于安裝且布置靈活；缺點是靠熱輻射方式傳導熱量，加熱面積小，加熱效果相對較差。通過式加熱裝置一般采用在進氣道上設置的柵格式結(jié)構，使通過的冷空氣邊流動邊加熱，優(yōu)點是與空氣接觸表面大，加熱效率更高，預熱效果更好；缺點是安裝相對復雜，并且由于柵格作用，對進氣量可能產(chǎn)生一定影響。

1.3 常用進氣預熱器材質(zhì)

從材質(zhì)角度分，目前常用且技術相對成熟的進氣預熱裝置有三種：電阻式進氣預熱器、火焰式預熱器及熱敏陶瓷進氣預熱器（常稱PTC進氣預熱器）。

1）電阻式進氣預熱器。電阻式進氣預熱器結(jié)構簡單，主要是依靠車載蓄電池使電阻元件發(fā)熱，對發(fā)動機進氣進行加熱。主要由電阻元件、殼體、絕緣體和接線端子等組成。電阻元件一般采用鎳鉻合金材料制成，以保證在高溫情況下的安全可靠。其優(yōu)點是壽命長，不易斷裂，不易脫皮，短路時收熔性好，不會發(fā)生因短路或疲勞所產(chǎn)生的大塊脫落物被吸進氣缸造成發(fā)動機損壞的現(xiàn)象。缺點是需要消耗一部分蓄電池的電能，對于低溫條件下本就電量供應相對吃緊的情況來說，有一定的影響。

2）火焰式進氣預熱器?；鹧媸竭M氣預熱器是通過預熱塞使柴油在進氣管內(nèi)燃燒，從而加熱進氣的輔助裝置。一般形式為在進氣管中設置絲狀電阻，工作時使電阻絲加熱燃油形成火焰，利用火焰直接加熱發(fā)動機進氣。它的優(yōu)點是消耗的電能相對少，通常所需功率約250 W左右，起動一次耗電量不足0.5 Ah，并且對進氣的加熱溫度較高；缺點是需要消耗進氣道中的一部分氧氣并且產(chǎn)生部分廢氣，導致發(fā)動機功率損失。

3）PTC進氣預熱器。PTC進氣預熱器是采用正溫度系數(shù)的熱敏陶瓷作為加熱體的裝置。以儲熱熱交換方式工作，結(jié)構一般為同心分布多級串聯(lián)散熱片形式。正溫度系數(shù)的PTC電熱陶瓷材料屬鐵鈦酸鋇類半導體，其電阻值可隨溫度變化而改變。當外界溫度為20 ℃時，其電阻僅為0.2~0.4 Ω。電路接通后瞬時加熱電流很大，其表面溫度迅速升高，1 min即可達到60~80 ℃，3 min內(nèi)即可達到200 ℃左右。此后電阻值趨向無窮大，電流趨于0，加熱體溫度不再升高，電路幾乎切斷，從而達到自動控溫的效果[12-13]。

相比前兩種預熱器，PTC預熱器具有熱效率高、自動恒溫等項優(yōu)點，但是由于目前PTC陶瓷進氣預熱器均為一體式，安裝于發(fā)動機進氣管口，其內(nèi)部結(jié)構決定它的外形較大，對于發(fā)動機艙室布置相對緊湊的車輛無法安裝。另外由PTC陶瓷材料的性質(zhì)所決定，在低溫起動過程中，高速低溫進氣與PTC材料進行熱交換后PTC材料溫度迅速下降，為了保持溫度需迅速恢復加熱工作，PTC材料消耗功率會急劇上升，對蓄電池低溫放電能力要求高，對后續(xù)的發(fā)動機起動造成不利影響。

表2是電阻式進氣預熱器、火焰式進氣預熱器和PTC進氣預熱器相關性能的比較，通過對比可見，三種進氣預熱器各有所長，適合的對象和使用環(huán)境也不盡相同。

2 高原高寒地域中重型車輛進氣預熱器設計選型

根據(jù)上述分析，結(jié)合本研究主要內(nèi)容即中型和重型越野車輛在高原高寒地域起動困難的問題，下面以重型越野車為主探討采用進氣預熱技術型式的設計選型。

2.1 結(jié)構選型設計

兩型越野車輛均使用六缸直列水冷發(fā)動機，具體參數(shù)見表3。由表3可見，兩車發(fā)動機均較大，起動所需進氣量大，對于冷起動所需加熱的要求更高。經(jīng)進一步研究發(fā)現(xiàn)，其進氣歧管為外置結(jié)構且腔體較大，額外加裝進氣預熱裝置較為容易。

表3 兩型越野車發(fā)動機主要參數(shù)表

經(jīng)拆解該重型越野車發(fā)動機后，發(fā)現(xiàn)原機裝配了2只火焰預熱裝置，分別位于進氣管入口附近和中部位置。實驗室起動效果表明，該預熱裝置輔助效果并不理想，分析其原因歸結(jié)于加熱功率不足所致。另外，考慮火焰預熱方式需要消耗部分氧氣，高原地域空氣相對稀薄，該方式對起動不利因素較多，為此項目組認為火焰預熱方式不適合本研究需要?？紤]該越野車與發(fā)動機的布置結(jié)構和較大的進氣預熱需求，PTC預熱器體積較大，不容易進行改裝布置。同時，PTC進氣預熱器受材質(zhì)本身加熱原理制約，存在對蓄電池放電能力的較高要求和本身最高溫度受限制等問題，也不適合本研究對象使用需要。

根據(jù)進氣量大、進氣歧管腔體大、散熱快等特點，經(jīng)反復論證和實驗比對，確定兩型越野車輛進氣預熱裝置選用大功率電阻式進氣預熱器，安裝位置在發(fā)動機進氣總管口，采用柵格式結(jié)構進行通過型進氣加熱，容易獲得最好的預熱效果。設計產(chǎn)品時，在滿足加熱功率的前提下，充分考慮了安裝位置和空間，對產(chǎn)品的尺寸進行了合理設計。該集中加熱式電阻型格柵進氣預熱器外形及安裝如圖1所示，其長度和寬度依據(jù)發(fā)動機進氣管口部尺寸進行設計，厚度依據(jù)進氣導流管與進氣總管口部之間可附加的尺寸和加熱器本身結(jié)構需要進行設計。根據(jù)兩型車實際情況，設計選型的進氣加熱器尺寸（長×寬×厚）如下：重型為120 mm×120 mm×40 mm，中型為85 mm×85 mm×25 mm。

圖1 集中加熱式電阻型格柵進氣預熱器外形及安裝

2.2 加熱功率設計選型

柴油機順利起動所需進氣加熱量計算過程為：

式中：1為壓縮多變指數(shù)；ca為氣缸進氣壓力，ca=（0.8~0.9）d，MPa；d為進氣管進氣壓力，MPa；cc為氣缸壓縮終點壓力，MPa；cc為有效壓縮比，cc=（0.8~0.9）c；c為壓縮比；ca為壓縮起點溫度，K；cc為壓縮終點溫度，K；d為柴油機進氣系統(tǒng)溫度，K；為熱利用系數(shù)，依據(jù)經(jīng)驗取1.5~2；s2為柴油機進氣量，kg；為充氣系數(shù)，取0.75；s為氣缸工作容積，L；為汽缸數(shù)；為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，r/min；為空氣氣體常數(shù)，=0.287 kN·m/(kg·K)；s為柴油機掃氣系數(shù)，取s=1；為起動時間，s；1為進氣所需加熱量，kJ；p為空氣質(zhì)量定壓熱容，－21~－50 ℃時；p=1.013 kJ/(kg·K)；a為環(huán)境溫度，K。

由于進氣管無保溫隔熱材料，因此進氣預熱器產(chǎn)生的熱量除了加熱進氣管內(nèi)的空氣外，還通過管壁以自由流動換熱方式向周圍散熱。假設發(fā)動機進氣經(jīng)預熱后，進氣管內(nèi)溫度和各缸溫度平均升高了Δ，則電阻式進氣預熱器所需提供的總熱量為：

式中：為進氣管導熱率，材料為鑄鐵，取=39.2 W/(m·K)；為進氣管內(nèi)表面積，m2；為進氣管壁厚，取0.01 m；Δ為缸內(nèi)、管內(nèi)平均升高溫度，K；為起動時間，取30 s。

根據(jù)公式（2）—（8），同時考慮一定的設計裕量，確定兩臺發(fā)動機用進氣預熱器功率為（重型）2.2 kW和（中型）1.0 kW。

2.3 控制參數(shù)設計

蓄電池電量是電預熱低溫起動的關鍵因素，因此在設計時需考慮加熱過程中造成的蓄電池壓降因素。以該重型越野車為例：其車載蓄電池為兩塊195Ah蓄電池。經(jīng)查在常溫下單塊蓄電池內(nèi)阻為3 mΩ，兩塊蓄電池內(nèi)阻共6 mΩ。低溫狀態(tài)0 ℃以下，溫度每下降10 ℃，內(nèi)阻約增大15%，則在－30 ℃時，內(nèi)阻約增大45%，即－30 ℃時蓄電池內(nèi)阻為8.7 mΩ。2.2 kW的電加熱器額定電流為92 A，則當－30 ℃環(huán)境使用該電預熱器時，蓄電池壓降為0.8 V。即環(huán)境溫度－30 ℃時，該蓄電池壓降0.8 V，約為3%，能滿足該加熱器工作需求。

上述設計計算完成后，需確定預熱控制關鍵控制參數(shù)。電阻式進氣預熱器的結(jié)構相對簡單，其重要的控制參數(shù)為加熱時間和起動時機的確定。經(jīng)核算蓄電池電量、預熱器加熱能力和發(fā)動機起動需求并反復實驗測試后，確定了控制參數(shù)和控制過程如下：當進氣預熱器接通電源后，由控制器控制預熱器工作，加熱時間確定為60 s，然后對駕駛員進行起動發(fā)動機的操作指示，同時為對補充進氣進行加熱，加熱器繼續(xù)工作30 s。

3 進氣預熱器實車安裝測試

完成以上設計后，分別進行了兩型進氣預熱器的選型和安裝，其中重型越野車進氣預熱器實車安裝如圖2所示。

3.1 進氣預熱器實車實驗室測試

實車安裝調(diào)試完成后，首先進行了實驗室測試，測試現(xiàn)場如圖3所示。

圖3 重型越野車實驗室測試現(xiàn)場

1）測試方案。測試車輛更換低溫用燃油、潤滑油和齒輪油，使用兩塊低溫型蓄電池，在發(fā)動機底殼和變速箱內(nèi)分別安裝了溫度傳感器，測試潤滑油和齒輪油溫度。試驗車輛置于低溫實驗室內(nèi)，當實驗室溫度和發(fā)動機潤滑油溫度均達到測試溫度點后進行實車發(fā)動機起動試驗，分別在－25 ℃和－30 ℃兩個溫度點進行了測試。

2）測試結(jié)果。在－25 ℃環(huán)境溫度條件下，重型越野車輛在進氣預熱器加熱30 s后進行起動試驗，兩次測試均能順利起動成功；在－30 ℃環(huán)境溫度條件下，該重型越野車輛在進氣預熱器加熱60 s后進行起動試驗，兩次測試均起動成功。

3.2 進氣預熱器實車實地測試

經(jīng)實車實驗室驗證后，項目組進行了3900 m高海拔寒冷地域的實地測試。

1）測試方案。測試車輛保持良好狀態(tài)，更換符合當?shù)厥褂铆h(huán)境的油、液和蓄電池，在野外環(huán)境靜置一夜。測試時間選擇為凌晨6:00左右當?shù)刈畹蜌鉁貢r間，現(xiàn)場記錄試驗時環(huán)境溫度為－27 ℃，分別對兩臺樣車進行了起動測試。

2）測試結(jié)果。中型車輛一次起動成功，從開始預熱到起動成功共歷時130 s；重型車輛兩次起動成功，從開始預熱到起動成功共歷時160 s。

4 結(jié)語

文中針對中型和重型兩臺越野汽車在高原高寒地域起動困難問題，從進氣溫度角度考慮，綜合參考了不同進氣預熱裝置的型式、材質(zhì)，結(jié)合車輛實際情況，兼顧安裝和電源等因素，設計選型了合適的進氣預熱器，經(jīng)理論計算和實驗室測試驗證，確定了預熱時間和起動時機等控制參數(shù)。實驗室測試和高原地域?qū)嵻嚋y試結(jié)果表明，在環(huán)境溫度接近－30 ℃的情況下，該輔助裝置能夠滿足對車輛起動有明顯的輔助效果。該方式結(jié)構簡單、可靠性高，便于中重型車輛的加裝使用。該研究為高原高寒地域一定范圍內(nèi)車輛起動困難問題提供了有效的解決辦法，同時為此類問題提出了較為系統(tǒng)的分析思路和解決方案。

[1] 姚永慧, 張百平. 青藏高原氣溫空間分布規(guī)律及其生態(tài)意義[J]. 地理研究, 2015, 11(24): 2086-2090.

[2] 陳家瑞. 汽車構造(上冊)[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2009: 308-312.

[3] 董素榮, 許翔, 周廣猛, 等. 車用柴油機高原性能提升技術研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 裝備環(huán)境工程, 2013, 10(4): 68-70.

[4] LIU H, HENEIN N A, BRYZIK W. Simulation of Diesel Engines Cold Start[J]. SAE Transactions, 2003, 112(3): 354-370.

[5] 魏春源, 張衛(wèi)正, 葛蘊珊. 高等內(nèi)燃機學[M]. 北京: 北京理工大學出版社, 2007: 37-45.

[6] 張怡軍, 段春霞. 進氣預熱對柴油機低溫起動影響的研究[J]. 內(nèi)燃機與動力裝備, 2008(3): 10-12.

[7] 何西常, 張眾杰, 張云飛, 等. 柴油機冷起動研究現(xiàn)狀[J]. 柴油機, 2012(4): 1-4.

[8] 劉瑞林. 柴油機高原環(huán)境適應性研究[M]. 北京: 北京理工大學出版社, 2013: 1-8.

[9] 李德桃. 柴油機冷起動的基礎研究和改善措施[M]. 北京: 科學出版社, 1998: 26-35.

[10] 胡玉貴, 栗彥輝. 柴油機低溫啟動的影響因素和改善措施[J]. 移動電源與車輛, 2004(1): 29-32.

[11] 劉瑞林, 靳尚杰, 孫武全, 等. 提高柴油機低溫起動性能的冷起動輔助措施[J]. 汽車技術, 2007(6): 5-8.

[12] SHROUT R, MOFFATT D, HUEBNER W. Composite PTCR Thermistors Utilizing Conducting Borides, Silicides and Carbide Powders[J]. Journal of Materials Science, 1991, 26: 145-150.

[13] ZHI C L, BERGMAN B. Thermal Cycle Characteristics of PTCR Ceramic Thermistors[J]. Sensors and Actuators A, 2005, 118: 92-97.

Engine Starting Auxiliary Device for Air Intake Preheating of Medium & Heavy Duty Vehicles in Plateau and Cold Area

YUE Wei-qiang1, WANG Shuo1, LIU Bing-jun1, LIU Feng-yun2

(1.Military Traffic Institute, Tianjin 300161, China; 2.Beijing Jingwei Vehicle Equipment Co., Ltd, Beijing 100022, China)

To overcome the engine starting difficulty of medium and heavy duty off-road vehicles at plateau and cold area.Influences of intake air temperature on engine starting was proceeded to study advantages and disadvantages of several typical air intake preheating methods. Based on the real substance of two off-road vehicles, the gridiron centralized resistance preheater was designed. Main parameters such as the power the size and the control strategy by calculate and testing were confirmed and the matching relationship of the cell and the preheater was also analyzed.Preheater was installed on the vehicles to make some test in the natural pressure lab and the real plateau condition. Vehicles can be started in 3 minutes with the assistance of the preheaters at -30 ℃ in lab and -27 ℃ in real plateau environment.The method can effectively settle the problem of the engine starting at plateau zone where the temperature is above -30 ℃. The equipment is easy to install and has high reliability, is applicable to the off-road vehicles, and also gives an effective way to solve such problems.

plateau and cold zone; intake air temperature; centralized preheating; gridiron resistance

10.7643/ issn.1672-9242.2017.10.008

TJ07；TK427

A

1672-9242(2017)10-0041-06

2017-08-07；

2017-08-30

岳巍強（1976—），男，河北人，博士，主要研究方向為汽車工程。