晉世強(qiáng)

(河北安吉宏業(yè)機(jī)械股份有限公司)

0 引言

眾所周知，我國國土面積廣大，地區(qū)氣候差別巨大，在廣大的北方地區(qū)冬季溫度會(huì)低至－20～－40℃以下，且冬季漫長。在此溫度條件下，一般發(fā)動(dòng)機(jī)在冷態(tài)時(shí)啟動(dòng)會(huì)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(fā)動(dòng)機(jī)油底殼;給發(fā)動(dòng)機(jī)加熱水;使用進(jìn)氣預(yù)熱塞或火焰塞加熱進(jìn)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(fā)出明火，十分危險(xiǎn)，受風(fēng)影響大;噴燈燃燒不穩(wěn)定，有可能斷火等;必須有人看守，操作環(huán)境惡劣;加熱不均勻，油底殼內(nèi)油脂易結(jié)焦;油耗大，效率低〔1〕。給發(fā)動(dòng)機(jī)加熱水也存在需要每天加水放水等操作麻煩的缺點(diǎn)，另外北方水質(zhì)普遍偏硬，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)易結(jié)水堿。使用進(jìn)氣道預(yù)熱或火焰塞加熱會(huì)消耗大量電瓶能量，啟動(dòng)效果不好，同時(shí)火焰塞燃燒效果不穩(wěn)定，可靠性差。使用乙醚噴射強(qiáng)制啟動(dòng)會(huì)給發(fā)動(dòng)機(jī)造成很大磨損，降低發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)液體在較短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行加熱，提升發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)體溫度，減少了啟動(dòng)阻力，滿足了發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫條件下的啟動(dòng)要求〔2〕。

另外北方地區(qū)寒冷冬季，商用車的取暖問題也不好解決，只靠發(fā)動(dòng)機(jī)余熱取暖不能滿足需求，因?yàn)榄h(huán)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(fēng)將駕駛室空氣加熱達(dá)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(jì)算的重要性及計(jì)算框圖，著重以福田重卡H4車型為例進(jìn)行液體駐車加熱器和空氣駐車加熱器的匹配計(jì)算。

1 商用車選擇駐車加熱器匹配計(jì)算的重要性及計(jì)算框圖

我國北方地區(qū)冬季十分寒冷，在這些寒冷地區(qū)跑運(yùn)輸?shù)纳逃密囈呀?jīng)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(fā)動(dòng)機(jī)功率不匹配，導(dǎo)致加熱時(shí)間過長，或甚至不能使駕駛室及取暖空間達(dá)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(fā)動(dòng)機(jī)低溫啟動(dòng)時(shí)間很短，駕駛室取暖達(dá)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(guān)駐車加熱器，這樣既不節(jié)能、不環(huán)保，又降低駐車加熱器的使用壽命。這就給我們提出一個(gè)課題，商用車的低溫啟動(dòng)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(gè)匹配計(jì)算也相當(dāng)重要，只有在商用車安裝駐車加熱器前，了解發(fā)動(dòng)機(jī)的小循環(huán)防凍液系統(tǒng)最小容積及駕駛室的散熱量 (汽車圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱、汽車玻璃散熱、人員及門窗漏風(fēng)散熱)，就可以進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)低溫啟動(dòng)的匹配計(jì)算及駕駛室取暖的匹配計(jì)算。通過匹配計(jì)算選擇的駐車加熱器對商用車來說即合理又經(jīng)濟(jì)，還節(jié)能環(huán)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(jì)算，首先計(jì)算出駕駛室需求熱量，再根據(jù)此熱量選擇加熱器額定放熱量。根據(jù)車身熱平衡計(jì)算方程式〔3〕:

式中:α1—儲(chǔ)備系數(shù)，Q—采暖系統(tǒng)所需換熱量，Qe—車身總熱負(fù)荷，QB—車體傳入熱量，QG—玻璃傳入熱量，QV—新風(fēng)熱負(fù)荷，QP—人體熱，QM—發(fā)動(dòng)機(jī)散熱量，QL—車內(nèi)零件散熱量。

商用車采暖熱負(fù)荷按公式1－1及1－2計(jì)算，由于QP—人體熱、QM—發(fā)動(dòng)機(jī)散熱量、QL—車內(nèi)零件散熱量這三項(xiàng)參數(shù)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(fù)荷計(jì)算中可以忽略此三項(xiàng)參數(shù)。對于空氣式駐車加熱器和液體式駐車加熱器的熱負(fù)荷計(jì)算，其QV—新風(fēng)熱負(fù)荷是不同的，空氣式駐車加熱器是加熱循環(huán)駕駛室內(nèi)的空氣，因此QV—新風(fēng)熱負(fù)荷主要是來自為補(bǔ)充車廂乘客所需輸送一定量的新風(fēng)，按人體衛(wèi)生要求，每人所需的新風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)為20～40(m3/h·人)〔4〕〔5〕，由于汽車條件限制，新風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)不得不降低，對大客車空調(diào)而言，新風(fēng)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(fēng)芯體防凍液加熱，再通過風(fēng)機(jī)將熱量帶入駕駛室，因此QV—新風(fēng)熱負(fù)荷主要是暖風(fēng)風(fēng)機(jī)輸送進(jìn)來的新風(fēng)產(chǎn)生的。同時(shí)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(shí)進(jìn)行加熱的，因此QV—新風(fēng)熱負(fù)荷都沒有因?yàn)檐囕v行駛產(chǎn)生漏風(fēng)造成的新風(fēng)熱負(fù)荷。根據(jù)商用車的保溫措施不同α1—儲(chǔ)備系數(shù)一般取1～1.2。

駐車加熱器商用車采暖應(yīng)用匹配計(jì)算框圖見圖1－1

圖1 －1 商用車采暖熱負(fù)荷計(jì)算框圖

2 空氣式駐車加熱器在福田重卡應(yīng)用的匹配計(jì)算

福田H4熱負(fù)荷計(jì)算:

設(shè)計(jì)條件:

車外環(huán)境溫度: T1－40℃

車內(nèi)目標(biāo)溫度: T220℃

整車內(nèi)表面積: A121.23m2

車頂內(nèi)表面積: A23.1m2

車底內(nèi)表面積: AF5.074m2

車身內(nèi)側(cè)面表面積 AS9.6m2

前擋風(fēng)玻璃面積: A31.958m2

前擋風(fēng)玻璃水平面投影面積:A40.284m2

所有玻璃面積: A53.456m2

乘員數(shù): N11

駕駛員: N21

(1)汽車車體圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱

=465+1440+761.1=2666.1 w (1－3)

注:K—車廂傳熱系數(shù)，對開啟式商用車，一

般取2.5w/m2·℃

F—車廂圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面積 17.774 m2

ΔT—車內(nèi)外溫差 60℃

TR—車頂外部溫度，一般為 －40℃

TS—車身側(cè)面溫度，一般為 －40℃

TF—車底外部溫度，一般為 －40℃

(2)車窗和擋風(fēng)玻璃傳熱

注:KB—玻璃傳熱系數(shù)，一般為 5.5

A5—所有玻璃面積 3.456 m2

ΔT—車內(nèi)外溫差 60℃

(3)新風(fēng)產(chǎn)生的熱負(fù)荷

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

注:n—乘員人數(shù)，n=2

l0—新風(fēng)量/人 .小時(shí) 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(nèi)空氣的焓值，hi=38 kJ/kg

總熱負(fù)荷為:

經(jīng)過以上理論計(jì)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(yīng)用的匹配計(jì)算

3.1 對發(fā)動(dòng)機(jī)低溫啟動(dòng)駐車加熱器放熱量及加熱時(shí)間計(jì)算

福田重卡H4車型的發(fā)動(dòng)機(jī)小循環(huán)防凍液容積最小為9.5L，防凍液溫度由環(huán)境溫度－40℃升高到發(fā)動(dòng)機(jī)能啟動(dòng)溫度30℃時(shí)，按容積計(jì)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(qū)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(dòng)所需時(shí)間為:

注:W加:駐車加熱器額定放熱量kw;

t:加熱器時(shí)間分鐘

用駐車加熱器給發(fā)動(dòng)機(jī)低溫啟動(dòng)合理的加熱時(shí)間根據(jù)經(jīng)驗(yàn)應(yīng)該定為10分鐘左右，因此福田重卡H4全驅(qū)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(shí)際測試數(shù)據(jù)見表1－1中2013年1月27日在黑河做的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表格，環(huán)境溫度－22℃，水溫被加熱到65℃時(shí)駐車加熱器從打開開關(guān)工作了15分鐘，減去加熱器預(yù)熱時(shí)間1分鐘低速穩(wěn)焰時(shí)間2分鐘，加熱器正常加熱工作時(shí)間應(yīng)為12分鐘，實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)小循環(huán)防凍液的容積為11 L。理論計(jì)算時(shí)間為t=4.2*11*87/(10*0.6*60)=11.2分鐘。實(shí)際測試需求時(shí)間與理論計(jì)算時(shí)間基本一致。

表1 －1 YJH－Q10/2駐車加熱器采暖試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)

3.2 駕駛室取暖匹配計(jì)算

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

注:V—暖風(fēng)風(fēng)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(nèi)空氣的焓值，hi=38 kJ/kg

總熱負(fù)荷為:

當(dāng)用液體駐車加熱器取暖時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)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(jīng)過以上理論計(jì)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(jié)

本文內(nèi)容主要介紹了商用車匹配計(jì)算的重要性及匹配計(jì)算框圖，并接合福田重卡同步設(shè)計(jì)階段情況，重點(diǎn)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(jì)算，以及液體駐車加熱器在發(fā)動(dòng)機(jī)低溫啟動(dòng)方面的匹配計(jì)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(fā)動(dòng)機(jī)低溫啟動(dòng)時(shí)的應(yīng)用—現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備2009第5期

〔2〕華智剛趙福堂韓占忠內(nèi)燃機(jī)低溫啟動(dòng)技術(shù)及應(yīng)用內(nèi)燃機(jī)2000年

〔3〕郭會(huì)聰昃強(qiáng)燃油加熱器系統(tǒng)在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用.汽車電器2010年第11期.

〔4〕電子工業(yè)部第十設(shè)計(jì)研究院空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)手冊.中國建筑工業(yè)出版社1995年.

〔5〕王世平 汽車空調(diào)熱負(fù)荷的分析與計(jì)算 制冷與空調(diào)2000年第2期.

〔6〕楊蓉霞汽車空調(diào)動(dòng)態(tài)負(fù)荷的計(jì)算研究及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.蘭州:蘭州理工大學(xué)2007年.