燃油加熱輔助熱源在商用汽車上的應用

李 楊， 周 舟

（北京汽車研究總院有限公司， 北京 102200）

隨著人們對汽車舒適性要求的不斷提高，以及國際社會對汽車節能環保認知的進一步加強，更加促進了商用汽車公路物流跨地區流通的快速發展，使得以下4個方面的問題越來越突出：①發動機尤其是柴油發動機在高寒地區的冷起動問題；②高寒地區駐車采暖問題；③低氣溫情況下，傳統發動機利用發動機水溫給車身內部提供熱源熱量不足的采暖問題；④跨溫帶與寒區的物流車輛燃油箱結蠟及運營成本增加問題。如何解決以上問題，就是本次論文闡述的重點。

1 汽車在低溫環境下使用需要解決的問題

1） 低溫環境溫度下的發動機預熱起動問題。在極端嚴寒工況下，汽車發動機尤其是柴油發動機（柴油發動機與汽油發動機相比，熱效率高30%） 冷卻液溫度較低，發動機機油粘度增大，發動機曲軸起動負荷增大，導致發動機無法正常啟動。

2） 駐車休息時暖風裝置的熱源問題。傳統的汽車暖氣裝置熱量由發動機啟動后加熱的冷卻液提供，但當駐車休息需要采暖時，發動機需要持續不斷地工作以提供熱源，這時發動機功耗大、噪聲大，經濟性及舒適性很差。

3） 低溫環境溫度下的駕駛室采暖不足問題。在低溫環境下，發動機正常工作時冷卻液溫度較低，而駕駛室采暖是以發動機冷卻液余熱做為熱源進行采暖的，這時發動機冷卻液提供給暖風裝置的熱量不足，導致駕駛室采暖除霜能力有限，整車舒適性較差。

4） 低溫環境溫度下低牌號油品使用可靠性問題。一些進行跨區域運輸的物流車，在溫帶加注的低牌號油品，運行到寒區后油箱結蠟（圖1），發動機無法工作，影響正常工作，運營成本增加。

圖1 油箱結蠟

2 燃油加熱輔助熱源及關鍵部件簡介

在闡述之前，先需要清楚以下兩個基礎概念。

輔助熱源（Supplementary Heat Source）：在高寒氣候條件下，指區別于傳統的利用發動冷卻液余熱給汽車駕駛室采暖、發動機預熱冷起動、蓄電池加熱、燃油箱加熱等需要熱保護和需要在一定工作溫度下才能保證性能的汽車部件提供熱量的熱源。

燃油加熱器：以碳氫化合物等化學燃料為原料（主要與發動機共用燃料），通過這些燃料在特定裝置中燃燒產生熱量，以空氣或液體為導熱介質，具有使這些介質循環的動力裝置和熱保護等控制系統，把燃燒產生的熱量通過這些介質提供給駕駛室暖風系統、發動機缸體預熱等需要提供熱源的裝置。

燃油加熱器主要有兩種結構，分別是水暖式燃油加熱器和氣暖式燃油加熱器。

2.1 水暖式燃油加熱器的結構

水暖式燃油加熱器的結構如圖2所示。水暖式燃油加熱器是以水或防凍液作為導熱介質的燃油加熱器，具有使導熱介質循環的水泵等動力裝置和水溫控制系統的裝置。

圖2 水暖式燃油加熱器的結構

2.2 氣暖式燃油加熱器的結構

氣暖式燃油加熱器以空氣作為導熱介質的燃油加熱器，具有使導熱介質循環的鼓風機等動力裝置和出氣溫度控制系統的裝置。氣暖式燃油加熱器的結構如圖3所示。

圖3 氣暖式燃油加熱器的結構

2.3 燃油加熱器控制面板

燃油加熱器控制面板如圖4所示。

圖4 燃油加熱器控制面板

2.4 主油箱燃油傳感器總成

主油箱燃油傳感器總成如圖5所示。

圖5 主油箱燃油傳感器總成

2.5 液體單向閥

圖6 是 一 種“π”字型的四通道液體機械閥，只有2個通路，一條是“一”字型通路，另一通路是“倒幾”字型通路，利用4個進出水口的液壓差，控制腔體內球閥運動，實現不同的流向控制。其中，燃油加熱器停機時閥的狀態見圖7，燃油加熱器工作時閥的狀態見圖8，燃油加熱器停、發動機工作時閥的狀態見圖9。

圖6 “π”字型的四通道液體機械閥

圖7 停機時閥的狀態

圖8 燃油加熱器工作時閥的狀態

圖9 燃油加熱器停、發動機工作時閥的狀態

2.6 燃油電磁閥

圖10所示為一種三通道的電磁導通閥，燃油加熱器進油管里的油通過電磁閥控制可以分別來自主油箱和副油箱。

圖10 三通道的電磁導通閥

2.7 電磁水閥

圖11所示為單向導通電磁閥，控制所串接回路中水道的通斷。

圖11 單向導通電磁閥

2.8 空氣單向導通閥

在通風道內腔截面安裝百頁窗，百頁窗的柵頁是輕質柔軟薄膜粘貼在塑料骨架上，利用風道通風時內腔截面百頁窗兩側風壓，正向流通時風壓吹開薄膜使風單向流通，反向流通時百頁窗薄膜壓緊阻斷通路的一種空氣閥。

3 燃油加熱輔助熱源在汽車上的應用

3.1 水暖式燃油加熱器在汽車上的應用

3.1.1 水暖式燃油加熱器在汽車上的安裝（圖12）

圖12 水暖式燃油加熱器在汽車上的安裝示意圖

3.1.2 水暖式燃油加熱器的主要功能

1） 利用燃油加熱器給發動機預熱，解決發動機低溫起動問題。

2） 在發動機水溫較低，提供給暖風循環水的水溫不足時，輔助發動機提高水溫，滿足駕駛室采暖、除霜、除霧要求。

3） 在高寒地區仍可采用低牌號的油品，解決長途運輸車跨區域高低牌號油品氣溫適應性問題，同時降低油料使用成本，節能降耗。

4） 燃油加熱器有過熱保護、定時開機預設功能、遙控開機功能。

3.1.3 水暖式燃油加熱器的控制策略和工作原理

3.1.3.1 工作原理

工作原理如下：①打開燃油加熱器開關（或遙控、或定時），加熱器主機通過油泵從發動機油箱吸取燃油在主機燃燒室霧化點燃，燃燒產生的熱量加熱主機內換熱芯體；②燃油加熱器主機水泵循環發動機冷卻液經過主機換熱芯體進行傳導加熱；③加熱的發動機冷卻液通過各種控制系統，對發動機、暖風機、油箱進行加熱。

依據主油箱油品是否結蠟的情況，具體可分為以下兩種情況介紹。

1） 環境溫度較低，主油箱油品正常（儀表臺綜合顯示屏顯示油溫為非結蠟狀態），但發動機起動仍有困難，駕駛室采暖效果不良。①先啟動燃油加熱器，其用油來自主油箱，即主副油箱切換開關H打在主油箱位置，油閥M截止副油箱油路；②同時控制儀表臺電磁水閥開關J，使燃油加熱器至主油箱上的水閥K關閉，不用為主油箱加熱；③待發動機水套內水溫上升后再啟動發動機，確保一次起動成功。具體步驟分析如下，見圖13。

圖13 環境溫度較低， 主油箱油品正常

2） 環境溫度很低，主油箱油品結蠟。①主油箱油品沒有解凍之前，根據主油箱油溫，先啟動燃油加熱器，其用油來自高牌號副油箱，即主副油箱切換開關H打在副油箱位置，油閥M截止主油箱油路；②控制儀表臺電磁水閥開關J，使燃油加熱器至主油箱上的水閥K打開，同時為主油箱加熱和駕駛室暖風芯體供熱；③主油箱在循環水加熱情況下局部油溫回升到解凍狀態，發動機缸套內的水溫回升到發動機熱機狀態，發動機油管在水管的伴熱下解凍，監控儀表臺綜合顯示屏主油箱油溫，起動發動機工作，然后操作主副油箱切換開關H打到主油箱位置，油閥M截止副油箱油路；④因為燃油加熱器油管b和發動機進油管a與循環水管捆扎，所以油管內油路解凍，不存在油路不通問題。

具體如圖14所示。燃油加熱器油回路為：E（副油箱）→d（油閥后油管）→C（燃油加熱器）。

圖14 環境溫度很低， 主油箱油品結蠟

3.1.3.2 控制策略

1） 整車配有兩個不同容量的燃油箱，主油箱裝700L左右0℃低牌號油品，副油箱裝20L左右-35℃高牌號油品，駕駛艙儀表臺裝綜合顯示屏，通過主油箱油溫傳感器監控主油箱油溫，依此判斷主油箱油品是否為非結蠟狀態，通過主副油箱切換開關H控制燃油加熱器油路切換閥門開關，控制燃油加熱器工作用油來自不同牌號油品的油箱。

2） 監控主油箱油溫，通過開關J控制燃油加熱器至主油箱加熱水管循環水閥K開啟與否，主油箱油口非結蠟狀態時關，結蠟時開。

3） 燃油加熱器關閉時，連接燃油加熱器與發動機的四通單向水閥，控制發動機循環水不經過燃油加熱器循環，與傳統發動機冷卻回路一樣。

4） 進入燃油加熱器的油管及發動機吸油管與紅色的循環熱水管捆扎，確保發動機、燃油加熱器所有油路來自主油箱時，油管不結蠟堵塞，因為燃油加熱器在利用副油箱預熱發動機時，加熱的循環水給油管提供熱量。

3.2 空氣式燃油加熱器在汽車上的應用

3.2.1 空氣式燃油加熱器在汽車上的安裝（圖15）

圖15 空氣式燃油加熱器在汽車上的安裝示意圖

加熱器主機、燃燒空氣進氣管、排煙管等安裝于駕駛室外面，駕駛室內空氣回風管、出風管安裝于駕駛室內，排風管與空調箱連通。

3.2.2 空氣式燃油加熱器的主要功能

1） 在低溫環境下，傳統利用發動機余熱采暖水溫低，熱量不足，輔助提高暖風裝置的采暖、除霜、除霧能力。

2） 在低溫環境下，駐車采暖，不用起動發動機，低油耗，能持續工作8h，可以保證駐車時駕駛艙內恒溫、靜音、節能，提高駕駛艙舒適性。

3） 燃油加熱器有預設定時開機功能、遙控開機功能。

3.2.3 空氣式燃油加熱器的控制策略和工作原理

3.2.3.1 工作原理

1） 打開燃油加熱器開關（或遙控、或定時），加熱器主機通過油泵從發動機油箱吸取燃油在主機燃燒室霧化點燃，加熱主機內換熱芯體。

2） 燃油加熱器主機風機抽取駕駛室內空氣經過主機燃燒室換熱芯體進行加熱，通過主機排風管吹到空調箱總成，經過空調箱各出風模式，達到除霜、除霧、采暖的不同要求。

3.2.3.2 控制策略

1） 通過燃油加熱器控制器可調節4擋不同的出風口溫度，使駕駛室內溫度可調，可調節駕駛室內溫度分別達到10～40℃，當出風口的溫度高于80℃時自動停機保護，當關閉燃油加熱器時，加熱器內的循環風扇會延遲3min給主機降溫后停機，保護主機不過熱失效。

2） 開空調時（制冷模式），燃油加熱器不能開機工作，因為制冷時一般不需要輔助熱源，具體見圖16所示原理圖。

圖16 原理圖

3） 駐車采暖時，燃油加熱器檢測蓄電池電壓低于23V時，自動停機，確保發動機能正常起動。

4） 當空調鼓風機風量大于等于3擋時，燃油加熱器不能開機工作，因為燃油加熱器的風機風壓此時小于空調鼓風機風壓，燃油加熱器的熱風無法流到空調箱內參與分配。

5） 通過在加熱器與空調箱總成連通風管上設計空氣單向導通閥，確保空調鼓風機風量大于3擋時，空調的風不倒灌進燃油加熱器，影響空調的風量。

4 總結

以上所述燃油加熱輔助熱源，水暖式和空氣式燃油加熱器在商用汽車上的應用，尤其是重型柴油商用汽車、大型客車，在高寒地區的應用，已經是國家知識產權局備案的發明專利，汽車根據不同的使用地域氣候特點和需求，分別配置這兩種燃油加熱器總成或同時配置，能有效解決高寒地區發動機冷起動問題、駐車采暖問題、輔助采暖問題、低牌號油在高寒地區使用問題，其中水暖式燃油加熱器的主要功能是發動機冷起動和油箱加熱，駐車采暖由于需要借助空調鼓風循環風，對整車蓄電池電量消耗較大而不能長時工作，效果大打折扣；風暖式燃油加熱器的主要功能是駐車采暖和輔助采暖，沒有發動機冷起動和油箱加熱的功能，但由于熱效率高，廣泛應用于大客、重卡等客運和長途運輸的車輛上，解決采暖和駐車采曖問題。匹配這兩種輔助熱源能提高整車在高寒地區使用的可靠性和熱舒適性，同時節能環保，有較大的經濟效益。