碳纖維絲束在柴油機低溫冷起動中的應用研究＊

張永超 趙錄懷 徐微 楊彩梅

（1.西安交通大學城市學院，西安 710018；2.西安交通大學，西安 710049）

主題詞：柴油機 低溫冷起動 碳纖維絲束 柴油加熱

1 前言

柴油機在低溫環境下通常難以起動，而且當氣溫發生劇烈變化時，正常運行的柴油機還會出現突然熄火的現象，嚴重威脅司乘人員的生命安全[1-4]。解決柴油機低溫難起動的關鍵是通過對柴油加熱提高低溫流動性。目前，加熱柴油的主要方法包括加裝PTC組件或加熱管、通過加熱冷卻液間接加熱柴油、利用電熱絲在柴油油管里直接加熱燃油[5-8]等，但這些方法均存在熱效率低、成本高、安全性差等問題。

碳纖維絲束（下稱絲束）是一種新型發熱材料，具有體積小、通電后升溫快、熱效率高、不易氧化燒斷、自限溫等特點[9-11]，利用其加熱柴油具有其它材料不可比擬的優勢。為此，本文提出了在柴油發動機低壓油管內加裝絲束，利用汽車蓄電池供電加熱柴油的方法，并通過實際裝車冷起動試驗驗證絲束在汽車中應用的可行性。

2 碳纖維絲束加熱柴油可行性分析

利用車載蓄電池給絲束供電加熱柴油，當柴油溫升Δt1時，應滿足以下兩點：

a.加熱時間T≤10min，因為柴油車的實際冷起動預熱時間一般小于10min；

b.車載蓄電池的容量應滿足加熱所需電能。

2.1 加熱時間分析

根據能量守恒定律，絲束通電總功率（U2/R）轉化的熱能Q等于柴油吸收的熱能Q1加輸油管表面與空氣之間對流散失的熱能Q2，絲束電熱轉換效率為98%以上[12]，則加熱時間T計算式為：

式中，U為絲束的供電電壓，交流220 V；R為絲束電阻；C為柴油比熱；m為柴油質量；α為輸油管表面與空氣之間的對流換熱系數；A為輸油管的表面積；Δt2為輸油管表面與外界空氣溫差；T為加熱時間。

為計算T，首先要確定式（1）中各參數的值。不同車型參數值不同，本文以東風天錦車EQH140-40為例計算各參數值。

a.計算參數m、A值。大部分柴油車油箱到高壓油管分為3段，即油箱至燃油濾清器段、燃油濾清器至低壓油泵段、低壓油泵至高壓油泵段，前兩段長度各為1.5～3m，最后一段為0.1～0.3m，因最后一段較短，所以只需對前兩段油管中的柴油進行加熱即可滿足要求。東風天錦車油箱到高壓油管的前兩段總長度為3m，最后一段長度為0.2m，其低壓輸油管內徑為1.2 cm，外徑為1.5 cm。經計算，該車前兩段輸油管的表面積A=0.141 m2，油管內柴油的體積V=0.339 L，質量m=0.282 kg。

b.確定參數Δt1值。根據國家標準GB 19147—2016《車用柴油》中表A.1和表1～表3可知，絕大部分地區最低氣溫在-35℃以上，0#柴油冷凝點是4℃，因此要實現在最低溫度時也可使用0#柴油，必須將最低氣溫時的0#柴油加熱到4℃以上，所以設定絲束加熱柴油溫升△t1=40℃。

根據東風天錦車加熱油管長度、油管內柴油的質量m、溫升△t1、輸油管內徑、加熱功率等因素，初步選取規格為3K和6K的鐵氟龍（碳纖維絲束的包皮）碳纖維絲束（下稱3K絲束和6K絲束）進行試驗，其參數見表1，其總功率按U2/R計算。

表1 碳纖維絲束參數

柴油溫升△t1=40℃時Q1=Cm△t1=19.2 kJ，輸油管表面與外界空氣的溫差變化范圍為0～40℃，取中間值△t2=20℃，油管的對流換熱系數為5W/m2·℃[13]，假定柴油加熱時間T=10min，則Q2=αA△t2T=8.46 kJ，Q=Q1+Q2=27.66 kJ，以上計算未考慮柴油由凝結態向流動態變化所吸收的熱量。

c.確定加熱時間。由表1可知，3K絲束和6K絲束總功率分別為91W和122W，根據式（1）則加熱時間為：

由計算結果可知，加熱柴油所需時間T3K、T6K均小于10min，即利用3K絲束和6K絲束加熱柴油可滿足加熱時間要求。

2.2 汽車蓄電池供電分析

東風天錦車兩個前大燈的總功率為150W，3K絲來和6K絲束總功率分別為91W和122W，絲束通電10min所用電量小于該車兩個前大燈通電10min所用電量。因此，汽車蓄電池的容量完全可以滿足絲束加熱柴油所需電能。

3 溫度控制與報警

為了將絲束加熱柴油的溫度控制在合理范圍內，以及當柴油溫度過高時報警，設計了溫度控制與報警裝置（下稱裝置），裝置組成如圖1所示。其工作原理為：當環境溫度低于10℃時（0#柴油冷凝點是4℃），駕駛員給控制器發出指令，控制器控制繼電器給絲束通電加熱柴油，傳感器測量油溫。因0#柴油最低閃點為45℃，為了安全，控制器控制油溫在30～40℃之間，絲束有自限溫特性（最高溫度小于80℃），正常情況下油溫不可能超過80℃，否則報警模塊提示有故障。

圖1 溫度控制與報警裝置組成

裝置選用K型熱電偶，控制器采用最高工作頻率為275MHz的EP1C6Q240C8 cyclone系列FPGA芯片。

4 試驗驗證

為驗證絲束加熱柴油的安全性和測試其加熱柴油的溫升規律，分別進行絲束在空氣中和柴油中通電兩組試驗。

安全性試驗是在空氣中給3K絲束通電，利用福祿克F62MAX紅外測溫儀(測溫范圍為-30～500℃)測量3K絲束的表面溫度，絲束能達到的最高溫度應小于柴油的沸點[14]。試驗時，當3K絲束通電后，每間隔0.5min計錄1次溫度計數據，通電10min后斷電，絲束至少斷電1 h完全冷卻后進行下一次試驗，共重復進行10次試驗，得到10組200個數據，對每個時間點的數據求平均值得到3K絲束試驗結果，6K絲束與3K絲束試驗方法相同。3K絲束和6K絲束表面溫度隨通電時間擬合曲線如圖2所示，3K絲束和6K絲束的最高溫度分別為75.0℃和73.2℃，遠低于柴油的沸點，表明用3K絲束和6K絲束加熱柴油是安全的。

圖2 3K絲束和6K絲束在空氣中通電表面溫度隨通電時間變化曲線

圖3為利用絲束加熱柴油的溫升規律測試試驗裝置，如圖3所示，該試驗利用冰柜模擬低溫環境，試驗時將絲束完全浸入裝有0.5 L 0#柴油的玻璃瓶并放入冰柜中。試驗過程中利用海寶HB6801溫度計（測溫范圍為-50～1 300℃）測量油溫，同時利用裝置測量加熱10min后的油溫。

圖3 試驗裝置示意

試驗開始時，將冰柜溫度調至-18℃，當其內部溫度顯示為-18℃后保持0.5 h，然后在冰柜內給絲束通電加熱柴油，每0.5min計錄1次溫度計數據和溫度控制與報警裝置的數據，通電10 min后斷電，得到第1組數據。當冰柜內部溫度再次達到-18℃時保持0.5 h后再次進行試驗，共重復試驗10次，得到10組200個數據，對每個時間點的溫度計測量數據求平均值得到3K絲束試驗結果，6K絲束與3K絲束試驗方法相同。試驗結果如表2所示，溫度隨時間關系擬合曲線如圖4所示。由表2可知，兩種規格的絲束均能在10min內使凝結態的柴油升溫40℃達到流動態，表明符合要求，且6K絲束比3K絲束的溫升更快。裝置測量的加熱10min后的油溫數據平均值與溫度計測量數據之間的最大誤差為0.6℃，表明該裝置能在低溫下正常使用，且誤差在合理范圍內。

表2 3K絲束和6K絲束加熱柴油試驗結果

圖4 3K絲束和6K絲束在柴油中通電柴油溫度隨通電時間變化曲線

由表2可知，絲束加熱柴油升溫40℃所用時間大于可行性分析時的T3K、T6K，這主要因為：一是加熱的柴油質量不同，可行性分析所用柴油質量為0.282 kg（0.339 L），實驗室測試時采用了0.5 L柴油；二是熱能散失不同，可行性分析是輸油管表面與空氣之間的對流換熱，而實驗室試驗時采用的是玻璃瓶，熱損失較大；三是可行性分析未考慮柴油由凝結態向流動態變化所吸收的熱量。

5 實際裝車試驗

為驗證絲束加熱柴油能否確保柴油機在低溫環境下冷起動成功且運行平穩，進行了實際裝車試驗。因為6K絲束溫升比3K絲束更快，因此選用6K絲束進行實車試驗。試驗時將6K絲束安裝在東風天錦車柴油油箱內的進油油管口附近、低壓油管內、纏繞在燃油濾清器外，傳感器安裝在絲束末端的輸油管道內，溫度控制與報警裝置的控制器、顯示器、報警器和鍵盤等部分放在駕駛室內。試驗步驟如下：

a.在低溫環境下東風天錦車至少熄火2 h，使發動機及0#柴油充分冷卻；

b.利用溫度計測量環境溫度和柴油的起始油溫；

c.絲束通電加熱柴油，加熱10min時記錄裝置顯示的預熱后油溫；

d.點火起動發動機，保持發動機至少運轉60min，記錄發動機運行情況。

試驗結果如表3所示。由表3可知，預熱柴油10min后（第1～11號試驗結果），0#柴油在最低油溫-19.6℃高度凝結的情況下發動機點火冷起動成功，且平穩運行1 h以上；而絲束未預熱柴油（第12、13號試驗結果）時，0#柴油在最低油溫-14.3℃下發動機點火冷起動成功，但10min內柴油機突然熄火，再次點火起動發動機失敗，多次點火仍然失敗。這是因為，第1次點火時高壓油管內少量柴油未凝結，這時發動機點火成功，但油箱和低壓油管內的柴油已凝結,發動機起動后在供油過程中凝結的柴油在燃油濾清器內聚集,最后堵塞、斷流而熄火[4]，當再次起動時油路堵塞仍然不能起動成功。

表3 東風天錦車低溫（0#柴油）冷起動及運行試驗結果

實際裝車試驗充分說明絲束加熱柴油可確保柴油機在低溫環境下冷起動成功，且運行平穩。

6 結束語

針對柴油在低溫下流動性變差導致發動機難起動或運行不平穩的問題，提出了在柴油發動機低壓進油油管內加裝碳纖維絲束，利用汽車蓄電池供電加熱柴油提高流動性，同時設計了控制柴油溫度與故障報警裝置。該方案對原車改動少、熱效率高、安全性好、通電后升溫快。低溫環境下在東風天錦車實車試驗結果表明，碳纖維絲束加熱柴油對確保柴油機在低溫環境下冷起動成功且平穩運行非常關鍵，該研究對碳纖維絲束用于汽車領域具有一定的參考價值。