独立式车用加热器的功能分析

毛华永，郭 彬，郝胜兵，王 伟

（1.山东大学能源与动力工程学院，济南 250061；2.河北安吉宏业机械股份有限公司，河北 泊头 062150）

独立式车用加热器自20世纪30年代于德国问世以来，以其不受发动机工况影响、加热迅速、热效率高、可全天候用于汽车车内取暖、车窗除霜和发动机低温冷起动预热等诸多优点而逐渐为行业所应用。目前，欧美已在客车、货车、矿山机械等各类运输车上广泛应用。上世纪90年代初，已有世界知名企业的加热器产品开始进入中国市场销售。近些年来，我国的车用加热器亦发展迅速。2010年国产各类加热器约10万台，国内骨干客车企业约20%的客车配装了加热器，而安装加热器的大客车约占40%。其它像重型汽车、工程机械、发电机组等加热器的安装量也在不断增加。

1 加热器的功能分析

1.1 车内取暖与车窗除霜

对于冬季或寒冷地区，车内取暖和车前挡风玻璃除霜，是提高乘车舒适性与行驶安全性所必不可少的。利用发动机冷却水或排气余热，是车内取暖与除霜的常见方法。此法的最大优点是节能，但其前提是发动机必须处于工作状态，且受发动机的工况限制，供热量有限。通常在起动暖机时是发动机热量“自身难保”；行驶中，还要看发动机是否处于有多余热量可供的较大负荷工况，否则中小负荷下强行供热，不但供热量不足，还会降低本来就未达到最佳工作点的水温，从而增大油耗，加剧磨损，影响发动机使用寿命；当停驶熄火时，便无热量可供；而利用驻车怠速运转，不仅供热有限，热效率极低，不经济，且长此以往会大大影响发动机的使用寿命。

独立式车用加热器，不受发动机工况影响，可在任何情况下提供充足的热量，且供热迅速、稳定，能确保乘车的舒适性和行驶安全。

1.2 发动机低温冷起动预热

目前发动机仍有采用电热塞预热的、通过消耗蓄电池的电能直接加热发动机进气的方法。此法简单易行，但仅仅有助于点火起动，且一般只适合于小排量的发动机。而车用加热器不仅可加热进气，还可加热发动机的冷却液和机体，甚至可加热油底壳的润滑油和蓄电池，从而使发动机处于良好的准热机状态。这既解决了发动机的冷起动问题，同时也大大减轻了发动机的冷机磨损、降低了油耗和冷起动排放。

1.2.1 减轻磨损

在发动机的使用周期中，气缸之磨损50%发生在起动过程，而冬季起动磨损又占总起动磨损的60%～70%[1]。据文献[2]报道，-5℃时冷车起动一次，其气缸磨损量约相当于正常行驶180 km。这主要是因低温时润滑油粘度很大造成润滑不良及低温下油中所含硫的腐蚀作用所致。文献[3]称，油中所含硫越多，温度越低，对气缸壁的腐蚀越大。当冷却水温低于55℃、发动机在部分负荷下工作时，气缸套与第一道活塞环的腐蚀磨损比正常运转温度下的腐蚀磨损增加2～2.5倍。而文献[4]认为，发动机气缸壁、活塞和活塞环、活塞销与衬套、正时齿轮及气门摇臂等部件的磨损量有1/3～1/2是冷起动造成的。

图1是气缸体与活塞环磨损量随冷却水温而变的大致走向示意图[5-6]。可以看出，水温在80～90℃时，磨损量最小，随着水温的下降其磨损迅速增大。通过将液体式车用加热器与发动机冷却水路串联，由加热器对发动机冷却水（以及润滑油）循环加热至设定温度，即可大大减轻冷起动过程的磨损。

1.2.2 降低燃油耗

由图 2可看出[7]，随着温度的降低，润滑油的粘度急剧上升，这会导致摩擦损失大大增加。另外，在低温情况下，由于缸内工质与缸壁的温差加大，使得工质所散热量增多，而用于作功的热能减少。这些因素都会使发动机指示热效率和机械效率大大下降。

有试验表明，气温为-3℃时，不预热发动机而直接起动；当水温升至80℃时，需运转15 min，耗油约1 L；但若用热水预热机体至40℃再起动，10 min后便升温至80℃，耗油约0.6 L。以此简单预热即可使耗油降低40%，而时间却缩短了33.3%。试验还表明，水温20℃时，起步行驶5 km，比水温40℃时起步耗油增加15%～20%[1]。可见，对发动机进行预热，其节油效果显著。而运用独立式车用加热器来预热发动机具有得天独厚的优势：一是加热速度快，通常10 min左右即可将发动机水温加热至80℃（与所配用的加热器热功率有关）；二是节油，加热器的热效率一般在70%以上，是内燃机正常运行时最佳热效率的1.5～2倍，比发动机低温冷起动预热时的热效率更是大得多。

1.2.3 降低冷起动排放

内燃机中燃料的未燃烧及半燃烧状态，主要出现在起动过程的初始期。在冷起动与暖机过程所产生的排放量占据工况法排放量的很大比重。因低温冷起动时机体温度很低，使得燃油喷雾和蒸发性很差，其中大部分燃油形成壁膜，只有少量蒸发[8]，从而导致空燃比不合适，燃烧不完全，使其常温冷起动初始阶段的HC和CO排放约占整个欧Ⅲ排放测试过程的60%～80%[9]。而在-7℃低温冷起动初期所产生的HC和CO排放又比常温冷起动增加几倍，甚至十几倍[9-10]。按照美国联邦FTP-75测试75个循环的试验方法，采用闭环电控燃油喷射加三元催化器的汽油车，80%的HC、CO排放是在冷起动过程最初几分钟内产生的[11]。而据文献[9]的试验数据，在低温冷起动排放测试过程中，第1个ECE循环的HC排放占其总体排放的92.3%，CO排放占其总体排放的93.74%。可见，若能有效地降低低温冷起动过程的排放，即可对降低机动车排放做出巨大的贡献。

笔者在清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，对EQ491i多点进气道电喷汽油发动机进行了有、无加热器的低温冷起动试验。测试前，首先将发动机冷却至-7℃，并恒温6 h，然后按欧Ⅲ标准进行发动机排放测试。

试验所用加热器为YJH-Q5型液体燃油加热器，其额定热流量为5 kW。在做有加热器的试验时，先起动加热器对发动机冷却液循环加热，当加热器的水温传感器测得水温达78℃（控制器设定温度）后，加热器停止工作，同时起动发动机并进入排放测试过程。

图3为EQ491i发动机欧Ⅲ排放测试中，前两个15工况循环，排气管催化器前的HC累积排放对比曲线[12]。由图3可见，配装加热器后，其HC累积排放下降了31.4%，降排效果显著。这主要是因为通过加热器对发动机预热后，使机体温度大大上升，从而改善了燃油的雾化和蒸发，削弱了缝隙效用（因热胀）和淬冷效用。

从图4可看出，由加热器预热后，各个工况下的NOx均大幅下降，而起动初期下降尤甚。这是机温上升改善了混合气的形成环境和混合气质量，使空燃比趋于均匀，减少了局部富氧现象，更好地实现了均相燃烧，提高了燃烧品质。另外，机温升高，ECU会减小点火提前角，这有助于降低最高燃烧压力和温度，从而降低NOx。其综合的结果，在催化器前，使前两个15工况循环的NOx累积排放降低59.5%之多（见图5）。

CO是烃燃料在燃烧过程中生成的中间产物，其生成主要受混合气浓度的影响。经加热器预热的发动机，其起动时的名义空燃比并无太大变化，即依然为浓混合气，但机温升高，可改善燃油蒸发的混合条件，使混合气趋于均匀，所以CO有所下降。在催化器前，其前两个15工况循环的CO累积排放下降2.8%左右（见图6）。

尽管加热器使发动机的排放降幅很大，然而加热器自身亦存在排放问题。不过，因加热器是稳定持续燃烧，故其燃烧比较好组织，所以燃烧比较完全。经对加热器单独测试，其累积排放量在与发动机起动初期的前两个15工况循环对应时间内，加热器的HC排放为EQ491i原机的3.1%，CO为其4.6%，而NOx仅为其1.8%。

2 其它功能分析

理论上，只要配上相应的热交换器，加热器几乎可以对车上的任何部位（或部件）进行加热，比如装有润滑油的发动机油底壳、燃油箱、蓄电池等。

若对发动机油底壳中的润滑油进行加热，可降低机油粘度，改善流动性，降低机油流阻和泵压，能使润滑油在起动的初期尽快流达各润滑点，并迅速实现良好的润滑作用。加热燃油箱及油路，可改善燃油的流动性和雾化特性，有利于油、气混合，提高燃烧质量，从而降低油耗和排放。加热蓄电池，可恢复蓄电池的容量，改善发动机的起动性能。

图7是免维护铅酸蓄电池10 h放电率，其终止电压为1.8 V时放电容量与温度间的关系曲线[13]。由此可见，温度越低，其放电容量也越低；在温度低于10℃之后，温度每下降1℃，蓄电池有效容量约下降1.4%，这与发动机冷起动时阻力矩增大，恰需更大电量的情况而相悖。但通过加热器对蓄电池进行预热，即可解决或缓解因低温环境而使蓄电池容量下降的问题。

独立式车用加热器，可通过定时或遥控使其在驾车之前将发动机、车箱等拟预热的各处提前加热至欲求温度，从而使驾、乘者上车即可处于一个温度舒适的环境中，并可随时起步行驶。而所具有的加热速度快、热效率高、不受发动机工况限制、可全天候供暖，且可用于低温冷起动，并顺带降低冷起动磨损、油耗和排放，这是其它形式的预热装置所不能与之比拟的。

3 结束语

机动车尾气已成为我国大中城市的主要空气污染源，又因起动过程的排放占有很大比重，所以配装独立式车用加热器很有必要。而在冬季1月份，我国最低平均气温在0℃以下的地区约占陆地总面积的80%，-25℃以下的低温地区约有25%[14-15]。由此可知，无论就机动车的数量，还是需求地域，独立式车用加热器都具有广阔的应用前景。一旦普及，定会给社会带来巨大的经济效益和社会效益。

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