碳纤维丝束在柴油机低温冷起动中的应用研究＊

张永超 赵录怀 徐微 杨彩梅

（1.西安交通大学城市学院，西安 710018；2.西安交通大学，西安 710049）

主题词：柴油机 低温冷起动 碳纤维丝束 柴油加热

1 前言

柴油机在低温环境下通常难以起动，而且当气温发生剧烈变化时，正常运行的柴油机还会出现突然熄火的现象，严重威胁司乘人员的生命安全[1-4]。解决柴油机低温难起动的关键是通过对柴油加热提高低温流动性。目前，加热柴油的主要方法包括加装PTC组件或加热管、通过加热冷却液间接加热柴油、利用电热丝在柴油油管里直接加热燃油[5-8]等，但这些方法均存在热效率低、成本高、安全性差等问题。

碳纤维丝束（下称丝束）是一种新型发热材料，具有体积小、通电后升温快、热效率高、不易氧化烧断、自限温等特点[9-11]，利用其加热柴油具有其它材料不可比拟的优势。为此，本文提出了在柴油发动机低压油管内加装丝束，利用汽车蓄电池供电加热柴油的方法，并通过实际装车冷起动试验验证丝束在汽车中应用的可行性。

2 碳纤维丝束加热柴油可行性分析

利用车载蓄电池给丝束供电加热柴油，当柴油温升Δt1时，应满足以下两点：

a.加热时间T≤10min，因为柴油车的实际冷起动预热时间一般小于10min；

b.车载蓄电池的容量应满足加热所需电能。

2.1 加热时间分析

根据能量守恒定律，丝束通电总功率（U2/R）转化的热能Q等于柴油吸收的热能Q1加输油管表面与空气之间对流散失的热能Q2，丝束电热转换效率为98%以上[12]，则加热时间T计算式为：

式中，U为丝束的供电电压，交流220 V；R为丝束电阻；C为柴油比热；m为柴油质量；α为输油管表面与空气之间的对流换热系数；A为输油管的表面积；Δt2为输油管表面与外界空气温差；T为加热时间。

为计算T，首先要确定式（1）中各参数的值。不同车型参数值不同，本文以东风天锦车EQH140-40为例计算各参数值。

a.计算参数m、A值。大部分柴油车油箱到高压油管分为3段，即油箱至燃油滤清器段、燃油滤清器至低压油泵段、低压油泵至高压油泵段，前两段长度各为1.5～3m，最后一段为0.1～0.3m，因最后一段较短，所以只需对前两段油管中的柴油进行加热即可满足要求。东风天锦车油箱到高压油管的前两段总长度为3m，最后一段长度为0.2m，其低压输油管内径为1.2 cm，外径为1.5 cm。经计算，该车前两段输油管的表面积A=0.141 m2，油管内柴油的体积V=0.339 L，质量m=0.282 kg。

b.确定参数Δt1值。根据国家标准GB 19147—2016《车用柴油》中表A.1和表1～表3可知，绝大部分地区最低气温在-35℃以上，0#柴油冷凝点是4℃，因此要实现在最低温度时也可使用0#柴油，必须将最低气温时的0#柴油加热到4℃以上，所以设定丝束加热柴油温升△t1=40℃。

根据东风天锦车加热油管长度、油管内柴油的质量m、温升△t1、输油管内径、加热功率等因素，初步选取规格为3K和6K的铁氟龙（碳纤维丝束的包皮）碳纤维丝束（下称3K丝束和6K丝束）进行试验，其参数见表1，其总功率按U2/R计算。

表1 碳纤维丝束参数

柴油温升△t1=40℃时Q1=Cm△t1=19.2 kJ，输油管表面与外界空气的温差变化范围为0～40℃，取中间值△t2=20℃，油管的对流换热系数为5W/m2·℃[13]，假定柴油加热时间T=10min，则Q2=αA△t2T=8.46 kJ，Q=Q1+Q2=27.66 kJ，以上计算未考虑柴油由凝结态向流动态变化所吸收的热量。

c.确定加热时间。由表1可知，3K丝束和6K丝束总功率分别为91W和122W，根据式（1）则加热时间为：

由计算结果可知，加热柴油所需时间T3K、T6K均小于10min，即利用3K丝束和6K丝束加热柴油可满足加热时间要求。

2.2 汽车蓄电池供电分析

东风天锦车两个前大灯的总功率为150W，3K丝来和6K丝束总功率分别为91W和122W，丝束通电10min所用电量小于该车两个前大灯通电10min所用电量。因此，汽车蓄电池的容量完全可以满足丝束加热柴油所需电能。

3 温度控制与报警

为了将丝束加热柴油的温度控制在合理范围内，以及当柴油温度过高时报警，设计了温度控制与报警装置（下称装置），装置组成如图1所示。其工作原理为：当环境温度低于10℃时（0#柴油冷凝点是4℃），驾驶员给控制器发出指令，控制器控制继电器给丝束通电加热柴油，传感器测量油温。因0#柴油最低闪点为45℃，为了安全，控制器控制油温在30～40℃之间，丝束有自限温特性（最高温度小于80℃），正常情况下油温不可能超过80℃，否则报警模块提示有故障。

图1 温度控制与报警装置组成

装置选用K型热电偶，控制器采用最高工作频率为275MHz的EP1C6Q240C8 cyclone系列FPGA芯片。

4 试验验证

为验证丝束加热柴油的安全性和测试其加热柴油的温升规律，分别进行丝束在空气中和柴油中通电两组试验。

安全性试验是在空气中给3K丝束通电，利用福禄克F62MAX红外测温仪(测温范围为-30～500℃)测量3K丝束的表面温度，丝束能达到的最高温度应小于柴油的沸点[14]。试验时，当3K丝束通电后，每间隔0.5min计录1次温度计数据，通电10min后断电，丝束至少断电1 h完全冷却后进行下一次试验，共重复进行10次试验，得到10组200个数据，对每个时间点的数据求平均值得到3K丝束试验结果，6K丝束与3K丝束试验方法相同。3K丝束和6K丝束表面温度随通电时间拟合曲线如图2所示，3K丝束和6K丝束的最高温度分别为75.0℃和73.2℃，远低于柴油的沸点，表明用3K丝束和6K丝束加热柴油是安全的。

图2 3K丝束和6K丝束在空气中通电表面温度随通电时间变化曲线

图3为利用丝束加热柴油的温升规律测试试验装置，如图3所示，该试验利用冰柜模拟低温环境，试验时将丝束完全浸入装有0.5 L 0#柴油的玻璃瓶并放入冰柜中。试验过程中利用海宝HB6801温度计（测温范围为-50～1 300℃）测量油温，同时利用装置测量加热10min后的油温。

图3 试验装置示意

试验开始时，将冰柜温度调至-18℃，当其内部温度显示为-18℃后保持0.5 h，然后在冰柜内给丝束通电加热柴油，每0.5min计录1次温度计数据和温度控制与报警装置的数据，通电10 min后断电，得到第1组数据。当冰柜内部温度再次达到-18℃时保持0.5 h后再次进行试验，共重复试验10次，得到10组200个数据，对每个时间点的温度计测量数据求平均值得到3K丝束试验结果，6K丝束与3K丝束试验方法相同。试验结果如表2所示，温度随时间关系拟合曲线如图4所示。由表2可知，两种规格的丝束均能在10min内使凝结态的柴油升温40℃达到流动态，表明符合要求，且6K丝束比3K丝束的温升更快。装置测量的加热10min后的油温数据平均值与温度计测量数据之间的最大误差为0.6℃，表明该装置能在低温下正常使用，且误差在合理范围内。

表2 3K丝束和6K丝束加热柴油试验结果

图4 3K丝束和6K丝束在柴油中通电柴油温度随通电时间变化曲线

由表2可知，丝束加热柴油升温40℃所用时间大于可行性分析时的T3K、T6K，这主要因为：一是加热的柴油质量不同，可行性分析所用柴油质量为0.282 kg（0.339 L），实验室测试时采用了0.5 L柴油；二是热能散失不同，可行性分析是输油管表面与空气之间的对流换热，而实验室试验时采用的是玻璃瓶，热损失较大；三是可行性分析未考虑柴油由凝结态向流动态变化所吸收的热量。

5 实际装车试验

为验证丝束加热柴油能否确保柴油机在低温环境下冷起动成功且运行平稳，进行了实际装车试验。因为6K丝束温升比3K丝束更快，因此选用6K丝束进行实车试验。试验时将6K丝束安装在东风天锦车柴油油箱内的进油油管口附近、低压油管内、缠绕在燃油滤清器外，传感器安装在丝束末端的输油管道内，温度控制与报警装置的控制器、显示器、报警器和键盘等部分放在驾驶室内。试验步骤如下：

a.在低温环境下东风天锦车至少熄火2 h，使发动机及0#柴油充分冷却；

b.利用温度计测量环境温度和柴油的起始油温；

c.丝束通电加热柴油，加热10min时记录装置显示的预热后油温；

d.点火起动发动机，保持发动机至少运转60min，记录发动机运行情况。

试验结果如表3所示。由表3可知，预热柴油10min后（第1～11号试验结果），0#柴油在最低油温-19.6℃高度凝结的情况下发动机点火冷起动成功，且平稳运行1 h以上；而丝束未预热柴油（第12、13号试验结果）时，0#柴油在最低油温-14.3℃下发动机点火冷起动成功，但10min内柴油机突然熄火，再次点火起动发动机失败，多次点火仍然失败。这是因为，第1次点火时高压油管内少量柴油未凝结，这时发动机点火成功，但油箱和低压油管内的柴油已凝结,发动机起动后在供油过程中凝结的柴油在燃油滤清器内聚集,最后堵塞、断流而熄火[4]，当再次起动时油路堵塞仍然不能起动成功。

表3 东风天锦车低温（0#柴油）冷起动及运行试验结果

实际装车试验充分说明丝束加热柴油可确保柴油机在低温环境下冷起动成功，且运行平稳。

6 结束语

针对柴油在低温下流动性变差导致发动机难起动或运行不平稳的问题，提出了在柴油发动机低压进油油管内加装碳纤维丝束，利用汽车蓄电池供电加热柴油提高流动性，同时设计了控制柴油温度与故障报警装置。该方案对原车改动少、热效率高、安全性好、通电后升温快。低温环境下在东风天锦车实车试验结果表明，碳纤维丝束加热柴油对确保柴油机在低温环境下冷起动成功且平稳运行非常关键，该研究对碳纤维丝束用于汽车领域具有一定的参考价值。