某商用車柴油濾清器的加熱器優化開發及驗證

勞金平

（河北億利橡塑集團有限公司，清河 054800）

主題詞： 柴油濾清器 加熱器 加熱性能 試驗驗證 冷起動

1 前言

在我國東北地區，冬季平均氣溫為-20℃左右，黑龍江地區冬季最低平均溫度能達到-30℃，在這樣的低溫環境下，以柴油為燃料的汽車若未按規定牌號使用適合的柴油，則將出現起動困難甚至無法起動的情況，常常需要安裝汽車加熱器來解決低溫起動的問題[1]。由于發動機各相關系統的加熱要求不同，因此各零部件的加熱方式亦不盡相同。

柴油作為商用車發動機的主要燃料，其粘度及品質對發動機的正常運行有很大影響。某一標號柴油，粘度與外界溫度的關系非常緊密。溫度越低則柴油粘度越大，溫度越高則柴油粘度越小，柴油的粘度決定柴油的流動性，進而影響整車的供油系統、發動機燃燒系統的各種性能[2]。

常用的柴油加熱方法有：明火加熱或用熱水加熱油箱、濾清器和油管，使柴油解凍后再起動發動機，這種方法即費時又存在極大的安全隱患；通常應選擇高牌號的柴油，降低凝點，但由于北方地區溫度變化快，當環境溫度突然降低很多時，柴油如果不及時更換，就會出現系統供油不足或斷油的現象，從而導致發動機不能正常工作；采用添加抗凝劑或脫蠟處理的方法提高柴油牌號，成本高且流程復雜[3]；采用電阻絲加熱，需要電阻絲直接與柴油接觸，電阻絲表面高溫，柴油受熱不均勻，局部過熱容易將柴油點燃，引起油箱爆炸，安全性不能保證[4]。

對于柴油濾清器來說，內部柴油的溫度若低于冷濾點則阻力會增大，導致發動機供油不足、抖動等異常現象；若柴油溫度低于其冷凝點，則會隨著溫度的降低逐步結蠟，從而使柴油濾清器濾材堵塞，柴油無法通過濾材到達發動機，因此會產生斷油現象，導致發動機無法正常起動。

柴油濾清器的加熱器位于燃油供給系統中柴油濾清器內，其加熱性能對保證燃油供給系統正常運行起著至關重要的作用。

2 加熱器優化方案

車用柴油濾清器的加熱器一般采用外置加熱和內置加熱兩種方式，內置加熱器較外置加熱器熱效率高，從而降低加熱時間及電耗，并且結構緊湊，便于整車總體布置。某商用車柴油濾清器在整車燃油供給系統中布置位置如圖1所示。

圖1 燃油供給系統示意

2.1 加熱元件選擇

采用PTC熱敏電阻作為加熱元件，無明火加熱，解決了以往技術和發明專利中電加熱器和電阻絲發熱不均勻、加熱效率低、安全性不能保證的問題[4]；即使在溫度控制器失效的情況下，也能確保不會產生局部過熱超過柴油的燃點，因此PTC和溫度控制器的雙重保險，使得安全性得以保證。

2.2 結構及總體布置設計

采用與原有不同結構及布置位置的柴油濾清器積水杯加熱器，同時在不改變原有加熱器功耗的前提下使加熱性能得到改善，如圖2～圖5所示。

圖2 環形加熱器結構

圖3 環形加熱器布置

圖4 積水杯加熱器結構

圖5 積水杯加熱器布置

2.3 加熱性能優化目標

考慮客戶在低溫條件下對加熱性能的需求，采用2種不同結構及布置位置的試件裝入相同柴油濾清器內，同時濾清器內充滿0號柴油，在-27℃±2℃條件下冷凍12 h后，起動加熱器，進行臺架模擬對比驗證，目標性能參數見表1。

表1 臺架試驗目標性能參數

在模擬臺架試驗后，在-15℃環境溫度下，兩種加熱器進行整車對比試驗，目標性能參數見表2。

表2 整車試驗目標性能參數

3 臺架試驗

3.1 實驗臺架搭建

采用表3所示實驗設備及某商用車輸油泵模擬整車油路布置情況，按照如圖6所示進行試驗臺架的搭建。

表3 實驗設備參數

圖6 柴油濾清器油路示意

3.2 臺架試驗

濾清器內充滿0號柴油，在-27℃±2℃條件下冷凍12 h后，采用圖7所示試驗臺架，利用環形加熱器和積水杯加熱器，分別按照圖5所示通過二位三通換向閥1與二位三通換向閥2，將油箱2斷開，利用油箱1供油，調整輸油泵流量為260 L/h進行泵油模擬起動；當柴油濾清器的出油口出全液態柴油時，再通過二位三通換向閥1與二位三通換向閥2，將油箱1斷開，利用油箱2供油，調整輸油泵流量為480 L/h，循環1小時，模擬車輛正常運行工況下燃油供給系統加熱運行狀態。

圖7 加熱性能試驗

3.3 試驗數據

試驗過程中采集2種試件的電流曲線如圖8所示，得到其環形加熱器與積水杯加熱器的相對穩定電流均始于15 A左右。

圖8 電流曲線

通過電功率計算公式（1）得出兩種加熱器的額定功率如式（2）。

式中P為額定功率；U為整車電瓶電壓；I為加熱器電流。

3.4 臺架試驗結果

臺架試驗過程中測得2種加熱器出油時間及持續運行數據如表4、表5所示。

表4 環形加熱器臺架試驗結果

表5 積水杯加熱器臺架試驗結果

4 整車試驗

在臺架試驗后，為了進一步對積水杯加熱器方案進行研究，在整車上對原車柴油濾清器進行了改裝，拆除原車積水杯總成，更換成帶積水杯加熱器的積水杯總成，如圖9所示。利用裝有0號柴油的主油箱運行一段時間，此時濾清器充滿0號柴油，在-15℃的環境下停車放置12 h，柴油濾清器內柴油結蠟狀態如圖10所示，柴油濾清器的濾材已經徹底被結蠟的柴油堵塞，此時車輛無法正常起動。

圖9 積水杯加熱器試件

上述操作后，利用裝有-35號柴油的副油箱進行供油，分別接通原車的環形加熱器和積水杯加熱器，記錄正常起動時間。在車輛起動后，將柴油切換為裝有0號柴油的主油箱進行供油，持續運行1 h。

圖10 燃油結蠟堵塞濾材

4.1 起動工況

試驗過程中測得采用環形加熱器的車輛起動時間為45.08 min；采用積水杯加熱器的車輛起動時間為15.7 min。

4.2 持續運行工況

試驗過程中車輛起動后，運行一段時間，當主油箱內的0號柴油溫度被加熱至其冷濾點以上時，將油路切換為以0號柴油進行供油，運行1 h。結果顯示采用環形加熱器與采用積水杯加熱器均可使車輛正常運行，未出現供油不足、斷油等異常現象，如圖11所示。

圖11 整車試驗中的帶加熱器燃油濾清器

試驗過程中發現，采用原有的環形加熱器的柴油濾清器在低溫環境下使用適合標號的標準柴油可正常工作；若未使用適合標號的柴油則柴油濾清器無法正常工作，濾清器內0號柴油會逐漸出現結蠟的現象，導致柴油濾清器濾材堵塞，再次運行時即使采用-35號柴油也無法使柴油濾清器在短時間內恢復正常工作。優化的積水杯加熱器方案，實驗結果表明可在不提升加熱器功率的前提下，極大的提高其加熱性能，縮短解蠟時間，使柴油濾清器在短時間內恢復正常工作。

5 結束語

（1）在加熱器功率相同的狀態下，積水杯加熱器的加熱性能可滿足各項設計要求。

（2）臺架試驗中采用積水杯加熱器的柴油濾清器恢復正常工作時間較原有環形加熱器快18.5 min。

（3）整車試驗中采用積水杯加熱器的柴油濾清器正常恢復工作時間較原有環形加熱器快29.38 min。

（4）整車試驗與臺架試驗在環境溫度、燃油品質、管路布置等條件上有所區別，因此其時間差亦有所區別。

（5）2種試驗結果均證明了采用積水杯加熱器使得柴油濾清器恢復正常工作的時間約為采用環形加熱器的1/3。

（6）在不改變加熱器功率的前提下，結構及其布置位置的設計對加熱性能影響極大。