柴油機冷啟動系統的結構設計和實驗研究

李志香，李曉艷

（1.國家開放大學 工學院，北京 100039；2.北京興科迪科技有限公司，北京 100091）

0 引言

柴油機冷啟動性能差，是柴油機在使用過程中存在的突出問題。分析柴油機冷啟動的影響因素，提出改善柴油機冷啟動性能的措施具有實際意義。改善柴油機的低溫起動性能除了對柴油機自身進行優化設計外, 最重要的是采用低溫輔助措施[1]。目前提高柴油機冷啟動性能的主要措施有保溫、預熱、電啟動、合理使用燃料和潤滑油、噴入輔助燃料，以及采用外置強制循環式燃油加熱器、用火焰預熱裝置起動[2～4]等。但是以上方案均存在著方案復雜、可操作性差、成本高、不能完成滿足要求的缺點。因而，研究汽車柴油機在低溫條件下的啟動，采取相應的技術措施，對于改善其使用性能，滿足人們生活需要，節約油材料，確保行車安全，保證汽車合理使用具有重大意義。基于SolidWorks軟件設計了一種新的柴油機冷啟動系統，主要是想解決柴油在低溫下的結蠟和蓄電池低溫下的性能降低兩個方面問題。

1 柴油機冷啟動系統的設計要求

柴油機冷啟動系統是一種可以讓汽車在低溫環境下，保證汽車正常啟動的一套系統。通常是依靠汽車電池提供電能，通過高分子導電膜將電能轉化為熱能，使汽車燃油系統各相關部件進行加熱，以滿足汽車啟動條件。設計需符合以下要求：

1）在-40oC環境下，通過高分子導電膜加熱系統對汽車啟動部件進行加熱，確保在柴油機啟動前融化足夠的油量，以滿足啟動和正常運行。

2）通過對蓄電池的加熱，改善蓄電池的啟動性能，使其在低溫環境下，也能達到柴油機正常啟動的要求，即符合國家標準GB/T5008.1《起動用鉛酸蓄電池條件》的要求。

2 柴油機冷啟動系統的結構設計

在給出方案的基礎上，確定各主要功能模塊的具體結構型式，利用SolidWorks軟件進行結構優化設計。新設計的柴油機冷啟動系統主要分為以下幾大部分：油箱的加熱、油管的加熱、蓄電池的加熱。

2.1 油箱加熱系統的結構設計

利用高分子加熱膜作為加熱材料[5]，通過多種方案比較驗證，采用以下方案對油箱進行加熱。將高分子導電膜固定于油箱內部，并用絕緣材料將高分子材料與柴油隔離。在啟動前通電融化柴油。此方案特點：熱量損失少；結構簡單方便；與原有油箱制作工藝配套，加工方便；加熱集中，能快速融化結蠟的柴油。

油箱加熱總成主要由油箱總成、加熱膜、加熱膜固定裝置、出線螺栓組成。油箱總成主要由箱體、加強板、油管組成。

圖1 油箱加熱總成結構示意圖

圖2 油箱總成結構示意圖

加熱膜為上下各一片，加熱膜固定裝置可點焊在油箱殼體內，加熱膜采用卡扣安裝在加熱膜固定裝置上。兩電熱膜間距為0.04米，電熱膜尺寸為：0.3米×0.3米。出線螺栓焊接在油箱殼體上，導組可固定在油箱加強板上。

圖3 加熱膜、加熱膜固定裝置結構示意圖

圖4 出線螺栓、導線結構示意圖

2.2 電路設計

為了保證加熱在合理溫度后，停止加熱，在加熱電路中設計溫度傳感器，使實時探測溫度，當油箱內溫度達到某一設定值時，切斷電路停止加熱。油箱加熱電路原理框圖如圖5所示。

圖5 油箱加熱電路原理框圖

經與汽車設計廠家溝通調查并查閱相關資料，確認需保證車正常啟動，可用油量應大于5升，則融化油量所需的熱量為：

其中：C為-10#柴油的比熱容2100J/(kg·oC)；

M為需融化柴油的質量；柴油密度：0.84g/cm3；M=0.84×5000=4.2kg。

T1為目標加熱溫度-10oC。

T2為初始溫度-40oC。

加熱膜功率密度Wθ（W/m2）參數確定：

由Q=WT=2*Wθ*L*S*T可推出：

其中：T為設計加熱時間，30分鐘。

W為總功率；

Wθ為功率密度；

L為加熱膜長度0.3m；

S為加熱寬度0.3m。

2.3 油管加熱系統的設計

利用高分子導電膜制作成管狀結構，直接套裝在油管外表面，并在高分子導電膜外層套裝海棉隔熱材料。

融化油量所需熱量計算：油管半徑為0.005米；油管長度為7米。

需融化油量：3.14×0.0052×7=0.0005m3=0.5L。

融化油量所需熱量：

Q=C*M(T1-T2)=2.1×0.84×500×（-10+40）=26.46KJ

加熱膜功率密度Wθ（W/m2）參數確定：

Q=WT=2*Wθ*A*L*T可推出Wθ=Q/(2*L*S*T)=66.8W/m2

其中：L為加熱膜長度，7m；

S為加熱膜寬度，2×3.14×0.005m=0.0314m。

油管加熱電路設計：將高分子導電膜引線與蓄電池連接，當啟動前對油進行加熱，融化油量。因油管上柴油流動較快，不會引起過熱，故不需組裝溫控裝置。

3 蓄電池的加熱設計

3.1 蓄電池加熱結構設計

利用高分子導電膜制作成片狀結構,并組為五面體，組裝與塑料成形的箱體內。其中高分子導電膜緊貼蓄電池外壁，可以直接將熱量導入蓄電池內部。蓄電池加熱總成包括蓄電池、外殼、隔熱板、加熱墊。外殼采用工程塑料組裝。

圖6 蓄電池加熱總成結構示意圖

圖7 蓄電池外殼結構示意圖

隔熱板采用隔熱泡沫塑料板，其導熱系數為0.17，可有效隔熱，使熱量不能散失。

圖8 隔熱板、加熱膜結構示意圖

3.2 蓄電池加熱電路設計

將高分子導電膜引線與蓄電池連接，當啟動前對蓄電池進行加熱。使蓄電池溫度從-40oC升到滿足國家標準GB/T5008.1-2005 《起動用鉛酸蓄電池條件》中第4.2條低溫啟動能力試驗中要求的-18oC。并在高分子導電膜與蓄電池外壁間設有溫度傳感器，在溫度過高時進行斷電保護。電路原理框圖如下：

圖9 蓄電池加熱電路原理圖

4 油箱加熱試驗驗證

4.1 油箱加熱試驗

1）試驗目的：驗證按照油箱加熱理論設計，試驗結果是否滿足原設計要求。

2）試驗方法：

（1）在油箱中放入-10#柴油，按設計安裝加熱膜部件。

加熱膜部件功率密度要求817W/m2，為確保符合要求，現功率密度加大至1000W/m2。

（2）將油箱總成放入-40oC低溫箱，保溫20小時。

（3）將加熱膜與蓄電池24V150AH連接，

對結蠟柴油進行加熱。

（4）加熱30分種時，觀察柴油溫度及狀態。

表1 油箱加熱測試記錄表

圖10 油箱加熱溫度曲線圖

圖11 油箱柴油加熱后效果

3）試驗結論：從試驗數據可以看出，在經過30分鐘的加熱后，柴油開始融化。融化體積實測為：(0.04+0.02)m×0.3m×0.3m=0.0054m3=5.4L。與理論設計基本一致。

4.2 蓄電池加熱試驗驗證

1）試驗目的：驗證按照蓄電池加熱理論設計，試驗結果是否滿足原設計要求。

2）試驗方法：

（1）將加熱將蓄電池24V150AH按設計結構方案，與外殼、隔熱板、加熱墊組裝。

（2）放入-40oC低溫箱內，放置20小時。

（3）在溫度穩定后，使加熱墊與蓄電池連接，加熱30分鐘，觀察蓄電池溫度變化。

表2 蓄電池加熱試驗圖表

圖12 蓄電池加熱溫度曲線圖

3）試驗結論：在加熱30分鐘后，電池酸液溫度升至-18oC以上，符合設計要求。

5 結束語

本文根據汽車的使用環境及各部件的結構特征，進行了柴油機冷啟動系統結構和電路的總體設計，確定了柴油機冷啟動系統由油箱加熱、油管加熱、蓄電池加熱三部分組成。實驗結果顯示，油箱加熱、油管加熱能保證提供啟動時需要的液態油量；通過對蓄電池的加熱，改善蓄電池的啟動性能，能其能保證足夠的啟動電壓和滿足要求的啟動大電流；而油箱內油量的加熱則保證了油路供給足夠的油量，以達到汽車正常的續行，直至油箱內柴油全部融化。該系統設計設計巧妙，結構簡單，操作方便，性能穩定。但設備的試驗與汽車實際工作環境還有一些差異，故還需要做進一步細致的試驗及系統的設計，才能將此設計應用于汽車行業中。

[1]吳克剛,羅青峰,邊耀章.改善汽車冷起動性的試驗研究[J].車用發動機,2002,8:10-11.

[2]張立峰,王素娥.影響柴油機冷啟動的因素及改善措施[J].山東農機化,2006,10:21.

[3]谷慶敏,蔣建功,徐琴.柴油機冬季低溫起動困難的原因及對策[J].內江科技,2011,7:115-118.

[4]師永強,穆希輝,杜峰坡,等.柴油機啟動性能改進措施[J].機械與電子,2010,8:37-39.

[5]譚洪生,王日輝,李麗,等.復合型高分子自限溫發熱材料及元器件在柴油機冷啟動方面的應用[J].塑料工業,2004,32(12):51-53.