駐車加熱器在商用車上應用的匹配計算

晉世強

(河北安吉宏業機械股份有限公司)

0 引言

眾所周知，我國國土面積廣大，地區氣候差別巨大，在廣大的北方地區冬季溫度會低至－20～－40℃以下，且冬季漫長。在此溫度條件下，一般發動機在冷態時啟動會十分困難〔1〕。針對此問題人們想出很多辦法，如使用汽油噴燈加熱發動機油底殼;給發動機加熱水;使用進氣預熱塞或火焰塞加熱進氣道;乙醚噴射等等，但這些方法存在大量缺陷，使得效果和可操作性不理想。如使汽油噴燈存在以下問題:噴燈發出明火，十分危險，受風影響大;噴燈燃燒不穩定，有可能斷火等;必須有人看守，操作環境惡劣;加熱不均勻，油底殼內油脂易結焦;油耗大，效率低〔1〕。給發動機加熱水也存在需要每天加水放水等操作麻煩的缺點，另外北方水質普遍偏硬，發動機內易結水堿。使用進氣道預熱或火焰塞加熱會消耗大量電瓶能量，啟動效果不好，同時火焰塞燃燒效果不穩定，可靠性差。使用乙醚噴射強制啟動會給發動機造成很大磨損，降低發動機壽命，增大油耗。而使用燃油液體加熱器則可以克服以上不足，使發動機內液體在較短時間內進行加熱，提升發動機的機體溫度，減少了啟動阻力，滿足了發動機在低溫條件下的啟動要求〔2〕。

另外北方地區寒冷冬季，商用車的取暖問題也不好解決，只靠發動機余熱取暖不能滿足需求，因為環境溫度低，防凍液溫度升不上來。那就需要安裝空氣式駐車加熱器直接加熱駕駛室空氣取暖，或利用液體加熱器將防凍液溫度升上來，再通過汽車暖風將駕駛室空氣加熱達到取暖的要求。

那么如何選擇合適的液體駐車加熱器和空氣駐車加熱器呢?本文主要說明商用車選擇駐車加熱器匹配計算的重要性及計算框圖，著重以福田重卡H4車型為例進行液體駐車加熱器和空氣駐車加熱器的匹配計算。

1 商用車選擇駐車加熱器匹配計算的重要性及計算框圖

我國北方地區冬季十分寒冷，在這些寒冷地區跑運輸的商用車已經有部分安裝了駐車加熱器，但安裝了駐車加熱器的用戶總是抱怨駐車加熱器不好用，原因是:有的用戶裝了額定放熱量偏小的駐車加熱器，與商用車取暖面積及發動機功率不匹配，導致加熱時間過長，或甚至不能使駕駛室及取暖空間達到舒適的溫度;有的用戶選擇了額定放熱量偏大的駐車加熱器，對發動機低溫啟動時間很短，駕駛室取暖達到舒適溫度也很快，但是駐車加熱器耗油量大、耗電量大，為了使駕駛室保持舒適的溫度，就要頻繁開關駐車加熱器，這樣既不節能、不環保，又降低駐車加熱器的使用壽命。這就給我們提出一個課題，商用車的低溫啟動與駕駛室取暖如何選擇合適的、匹配的駐車加熱器?而且這個匹配計算也相當重要，只有在商用車安裝駐車加熱器前，了解發動機的小循環防凍液系統最小容積及駕駛室的散熱量 (汽車圍護結構散熱、汽車玻璃散熱、人員及門窗漏風散熱)，就可以進行發動機低溫啟動的匹配計算及駕駛室取暖的匹配計算。通過匹配計算選擇的駐車加熱器對商用車來說即合理又經濟，還節能環保并延長駐車加熱器的使用壽命。

駐車加熱器在商用車上的取暖匹配計算，首先計算出駕駛室需求熱量，再根據此熱量選擇加熱器額定放熱量。根據車身熱平衡計算方程式〔3〕:

式中:α1—儲備系數，Q—采暖系統所需換熱量，Qe—車身總熱負荷，QB—車體傳入熱量，QG—玻璃傳入熱量，QV—新風熱負荷，QP—人體熱，QM—發動機散熱量，QL—車內零件散熱量。

商用車采暖熱負荷按公式1－1及1－2計算，由于QP—人體熱、QM—發動機散熱量、QL—車內零件散熱量這三項參數對車輛采暖不僅起正作用，而且影響比較小，因此商用車采暖熱負荷計算中可以忽略此三項參數。對于空氣式駐車加熱器和液體式駐車加熱器的熱負荷計算，其QV—新風熱負荷是不同的，空氣式駐車加熱器是加熱循環駕駛室內的空氣，因此QV—新風熱負荷主要是來自為補充車廂乘客所需輸送一定量的新風，按人體衛生要求，每人所需的新風量標準為20～40(m3/h·人)〔4〕〔5〕，由于汽車條件限制，新風量標準不得不降低，對大客車空調而言，新風量下線甚至接近10 m3/h·人〔6〕;液體式駐車加熱器是將汽車暖風芯體防凍液加熱，再通過風機將熱量帶入駕駛室，因此QV—新風熱負荷主要是暖風風機輸送進來的新風產生的。同時無論是液體駐車加熱器還是空氣式駐車加熱器都是車輛在駐車時進行加熱的，因此QV—新風熱負荷都沒有因為車輛行駛產生漏風造成的新風熱負荷。根據商用車的保溫措施不同α1—儲備系數一般取1～1.2。

駐車加熱器商用車采暖應用匹配計算框圖見圖1－1

圖1 －1 商用車采暖熱負荷計算框圖

2 空氣式駐車加熱器在福田重卡應用的匹配計算

福田H4熱負荷計算:

設計條件:

車外環境溫度: T1－40℃

車內目標溫度: T220℃

整車內表面積: A121.23m2

車頂內表面積: A23.1m2

車底內表面積: AF5.074m2

車身內側面表面積 AS9.6m2

前擋風玻璃面積: A31.958m2

前擋風玻璃水平面投影面積:A40.284m2

所有玻璃面積: A53.456m2

乘員數: N11

駕駛員: N21

(1)汽車車體圍護結構傳熱

=465+1440+761.1=2666.1 w (1－3)

注:K—車廂傳熱系數，對開啟式商用車，一

般取2.5w/m2·℃

F—車廂圍護結構的內表面積 17.774 m2

ΔT—車內外溫差 60℃

TR—車頂外部溫度，一般為 －40℃

TS—車身側面溫度，一般為 －40℃

TF—車底外部溫度，一般為 －40℃

(2)車窗和擋風玻璃傳熱

注:KB—玻璃傳熱系數，一般為 5.5

A5—所有玻璃面積 3.456 m2

ΔT—車內外溫差 60℃

(3)新風產生的熱負荷

=11*2/3600*1.424* (38+40)*1000=678.78 w

注:n—乘員人數，n=2

l0—新風量/人 .小時 取值 11m3/h.人

(最小不小于10 m3/h.人)

ρ—空氣密度，取1.424kg/m3

h0—室外空氣的焓值，h0=40kJ/kg

hi—車室內空氣的焓值，hi=38 kJ/kg

總熱負荷為:

經過以上理論計算因此選擇放熱量為5KW的FJH－5B/2空氣駐車加熱器作為輔助加熱熱源匹配合理。

3 液體式駐車加熱器在福田重卡應用的匹配計算

3.1 對發動機低溫啟動駐車加熱器放熱量及加熱時間計算

福田重卡H4車型的發動機小循環防凍液容積最小為9.5L，防凍液溫度由環境溫度－40℃升高到發動機能啟動溫度30℃時，按容積計算防凍液需求熱量為:

注:Q液:防凍液需求熱量kJ;

C液:防凍液比熱4.2kJ/kg·K;

ρ:防凍液密度1000kg/m3;

VY:防凍液體積0.0095 m3;

ΔT:溫差70K。

福田重卡H4全驅車選擇了10kw液體駐車加熱器，考慮加熱器放熱量60%被吸收，則其低溫啟動所需時間為:

注:W加:駐車加熱器額定放熱量kw;

t:加熱器時間分鐘

用駐車加熱器給發動機低溫啟動合理的加熱時間根據經驗應該定為10分鐘左右，因此福田重卡H4全驅車選擇額定放熱量為10kw的YJH－Q10液體駐車加熱器匹配合理。實際測試數據見表1－1中2013年1月27日在黑河做的試驗數據表格，環境溫度－22℃，水溫被加熱到65℃時駐車加熱器從打開開關工作了15分鐘，減去加熱器預熱時間1分鐘低速穩焰時間2分鐘，加熱器正常加熱工作時間應為12分鐘，實際發動機小循環防凍液的容積為11 L。理論計算時間為t=4.2*11*87/(10*0.6*60)=11.2分鐘。實際測試需求時間與理論計算時間基本一致。

表1 －1 YJH－Q10/2駐車加熱器采暖試驗測試數據

3.2 駕駛室取暖匹配計算

用液體式駐車加熱器取暖需利用汽車暖風裝置將防凍液熱量帶到駕駛室內，因此與空氣式駐車加熱器相比，其熱負荷計算不同之處在于新風熱負荷不同，此處的新風熱負荷主要由汽車暖風工作產生的。因此液體駐車加熱器的新風熱負荷計算如下:

注:V—暖風風量 180m3/h

ρ—空氣密度，取1.424kg/m3

h0—室外空氣的焓值，h0=40kJ/kg

hi—車室內空氣的焓值，hi=38 kJ/kg

總熱負荷為:

當用液體駐車加熱器取暖時發動機是工作的，因此加熱器的放熱量基本無損失全部用于了駕駛室取暖，因此經過以上理論計算選擇放熱量為10kw的YJH－Q10液體駐車加熱器作為輔助加熱熱源匹配合理。

4 小結

本文內容主要介紹了商用車匹配計算的重要性及匹配計算框圖，并接合福田重卡同步設計階段情況，重點介紹了空氣駐車加熱器及液體駐車加熱器在駕駛室取暖方面的匹配計算，以及液體駐車加熱器在發動機低溫啟動方面的匹配計算。

〔1〕方志剛李躍平 侯東 劉國建 淺議YJH－Q10A燃油液體加熱器在發動機低溫啟動時的應用—現代制造技術與裝備2009第5期

〔2〕華智剛趙福堂韓占忠內燃機低溫啟動技術及應用內燃機2000年

〔3〕郭會聰昃強燃油加熱器系統在電動汽車中的應用.汽車電器2010年第11期.

〔4〕電子工業部第十設計研究院空氣調節設計手冊.中國建筑工業出版社1995年.

〔5〕王世平 汽車空調熱負荷的分析與計算 制冷與空調2000年第2期.

〔6〕楊蓉霞汽車空調動態負荷的計算研究及實驗驗證.蘭州:蘭州理工大學2007年.