某商用车柴油滤清器的加热器优化开发及验证

劳金平

（河北亿利橡塑集团有限公司，清河 054800）

主题词： 柴油滤清器 加热器 加热性能 试验验证 冷起动

1 前言

在我国东北地区，冬季平均气温为-20℃左右，黑龙江地区冬季最低平均温度能达到-30℃，在这样的低温环境下，以柴油为燃料的汽车若未按规定牌号使用适合的柴油，则将出现起动困难甚至无法起动的情况，常常需要安装汽车加热器来解决低温起动的问题[1]。由于发动机各相关系统的加热要求不同，因此各零部件的加热方式亦不尽相同。

柴油作为商用车发动机的主要燃料，其粘度及品质对发动机的正常运行有很大影响。某一标号柴油，粘度与外界温度的关系非常紧密。温度越低则柴油粘度越大，温度越高则柴油粘度越小，柴油的粘度决定柴油的流动性，进而影响整车的供油系统、发动机燃烧系统的各种性能[2]。

常用的柴油加热方法有：明火加热或用热水加热油箱、滤清器和油管，使柴油解冻后再起动发动机，这种方法即费时又存在极大的安全隐患；通常应选择高牌号的柴油，降低凝点，但由于北方地区温度变化快，当环境温度突然降低很多时，柴油如果不及时更换，就会出现系统供油不足或断油的现象，从而导致发动机不能正常工作；采用添加抗凝剂或脱蜡处理的方法提高柴油牌号，成本高且流程复杂[3]；采用电阻丝加热，需要电阻丝直接与柴油接触，电阻丝表面高温，柴油受热不均匀，局部过热容易将柴油点燃，引起油箱爆炸，安全性不能保证[4]。

对于柴油滤清器来说，内部柴油的温度若低于冷滤点则阻力会增大，导致发动机供油不足、抖动等异常现象；若柴油温度低于其冷凝点，则会随着温度的降低逐步结蜡，从而使柴油滤清器滤材堵塞，柴油无法通过滤材到达发动机，因此会产生断油现象，导致发动机无法正常起动。

柴油滤清器的加热器位于燃油供给系统中柴油滤清器内，其加热性能对保证燃油供给系统正常运行起着至关重要的作用。

2 加热器优化方案

车用柴油滤清器的加热器一般采用外置加热和内置加热两种方式，内置加热器较外置加热器热效率高，从而降低加热时间及电耗，并且结构紧凑，便于整车总体布置。某商用车柴油滤清器在整车燃油供给系统中布置位置如图1所示。

图1 燃油供给系统示意

2.1 加热元件选择

采用PTC热敏电阻作为加热元件，无明火加热，解决了以往技术和发明专利中电加热器和电阻丝发热不均匀、加热效率低、安全性不能保证的问题[4]；即使在温度控制器失效的情况下，也能确保不会产生局部过热超过柴油的燃点，因此PTC和温度控制器的双重保险，使得安全性得以保证。

2.2 结构及总体布置设计

采用与原有不同结构及布置位置的柴油滤清器积水杯加热器，同时在不改变原有加热器功耗的前提下使加热性能得到改善，如图2～图5所示。

图2 环形加热器结构

图3 环形加热器布置

图4 积水杯加热器结构

图5 积水杯加热器布置

2.3 加热性能优化目标

考虑客户在低温条件下对加热性能的需求，采用2种不同结构及布置位置的试件装入相同柴油滤清器内，同时滤清器内充满0号柴油，在-27℃±2℃条件下冷冻12 h后，起动加热器，进行台架模拟对比验证，目标性能参数见表1。

表1 台架试验目标性能参数

在模拟台架试验后，在-15℃环境温度下，两种加热器进行整车对比试验，目标性能参数见表2。

表2 整车试验目标性能参数

3 台架试验

3.1 实验台架搭建

采用表3所示实验设备及某商用车输油泵模拟整车油路布置情况，按照如图6所示进行试验台架的搭建。

表3 实验设备参数

图6 柴油滤清器油路示意

3.2 台架试验

滤清器内充满0号柴油，在-27℃±2℃条件下冷冻12 h后，采用图7所示试验台架，利用环形加热器和积水杯加热器，分别按照图5所示通过二位三通换向阀1与二位三通换向阀2，将油箱2断开，利用油箱1供油，调整输油泵流量为260 L/h进行泵油模拟起动；当柴油滤清器的出油口出全液态柴油时，再通过二位三通换向阀1与二位三通换向阀2，将油箱1断开，利用油箱2供油，调整输油泵流量为480 L/h，循环1小时，模拟车辆正常运行工况下燃油供给系统加热运行状态。

图7 加热性能试验

3.3 试验数据

试验过程中采集2种试件的电流曲线如图8所示，得到其环形加热器与积水杯加热器的相对稳定电流均始于15 A左右。

图8 电流曲线

通过电功率计算公式（1）得出两种加热器的额定功率如式（2）。

式中P为额定功率；U为整车电瓶电压；I为加热器电流。

3.4 台架试验结果

台架试验过程中测得2种加热器出油时间及持续运行数据如表4、表5所示。

表4 环形加热器台架试验结果

表5 积水杯加热器台架试验结果

4 整车试验

在台架试验后，为了进一步对积水杯加热器方案进行研究，在整车上对原车柴油滤清器进行了改装，拆除原车积水杯总成，更换成带积水杯加热器的积水杯总成，如图9所示。利用装有0号柴油的主油箱运行一段时间，此时滤清器充满0号柴油，在-15℃的环境下停车放置12 h，柴油滤清器内柴油结蜡状态如图10所示，柴油滤清器的滤材已经彻底被结蜡的柴油堵塞，此时车辆无法正常起动。

图9 积水杯加热器试件

上述操作后，利用装有-35号柴油的副油箱进行供油，分别接通原车的环形加热器和积水杯加热器，记录正常起动时间。在车辆起动后，将柴油切换为装有0号柴油的主油箱进行供油，持续运行1 h。

图10 燃油结蜡堵塞滤材

4.1 起动工况

试验过程中测得采用环形加热器的车辆起动时间为45.08 min；采用积水杯加热器的车辆起动时间为15.7 min。

4.2 持续运行工况

试验过程中车辆起动后，运行一段时间，当主油箱内的0号柴油温度被加热至其冷滤点以上时，将油路切换为以0号柴油进行供油，运行1 h。结果显示采用环形加热器与采用积水杯加热器均可使车辆正常运行，未出现供油不足、断油等异常现象，如图11所示。

图11 整车试验中的带加热器燃油滤清器

试验过程中发现，采用原有的环形加热器的柴油滤清器在低温环境下使用适合标号的标准柴油可正常工作；若未使用适合标号的柴油则柴油滤清器无法正常工作，滤清器内0号柴油会逐渐出现结蜡的现象，导致柴油滤清器滤材堵塞，再次运行时即使采用-35号柴油也无法使柴油滤清器在短时间内恢复正常工作。优化的积水杯加热器方案，实验结果表明可在不提升加热器功率的前提下，极大的提高其加热性能，缩短解蜡时间，使柴油滤清器在短时间内恢复正常工作。

5 结束语

（1）在加热器功率相同的状态下，积水杯加热器的加热性能可满足各项设计要求。

（2）台架试验中采用积水杯加热器的柴油滤清器恢复正常工作时间较原有环形加热器快18.5 min。

（3）整车试验中采用积水杯加热器的柴油滤清器正常恢复工作时间较原有环形加热器快29.38 min。

（4）整车试验与台架试验在环境温度、燃油品质、管路布置等条件上有所区别，因此其时间差亦有所区别。

（5）2种试验结果均证明了采用积水杯加热器使得柴油滤清器恢复正常工作的时间约为采用环形加热器的1/3。

（6）在不改变加热器功率的前提下，结构及其布置位置的设计对加热性能影响极大。