柴油发动机低温起动预热装置――进气预热器所存在的问题ZT

狐精

摘要：目前在柴油发动机上普遍使用电热式进气预热起动器（及包括预热塞火焰预热器在内）
来解决低温条件下的点火冷起动问题。但在实际低温条件下，采用进气预热起动
器只能有限地解决相对低温（一般为 －8－15度）的起动问题，对真正意义上的低温
条件下（－20－30度以下）的点火冷起动问题则无法解决，很多装有进气预热起动器的
车辆低温起动不理想，发动机燃烧过程的基础研究特别是预混合气燃烧特性研究表明
进气预热起动器的弊端很多。随着柴油机汽车的日益广泛应用及环境保护要求
的进一步加强，低温点火起动产品进气预热起动器所存在的问题急待解决。


柴油机进气预热起动器主要由进气预热器、气门控制机构、预热时间控制器、预热启动保护开关及控制系统组成。柴油发动机低温点火起动装置进气预热起动器所存在的主要问题分析如下
(一) 预热的空气与柴油燃料在燃烧汽缸内的换热在短时间内难以充分进行，可燃混合气体在短时间内难以充分形成；
　
一般认为，柴油机采用压缩的办法提高空气温度，使空气温度超过柴油的自燃燃点，这时再喷入柴油、柴油喷雾和空气混合的同时自己点火燃烧。由于柴油机压缩比高（一般为16-22），压缩终了时气缸内空气压力可达3.5-4.5MPa，同时温度高达750-1000K大大超过柴油的自燃温度。柴油在喷入气缸后，在很短时间内与空气混合后便立即自行发火燃烧，柴油发动机无需点火系。因此，在低温条件下，点火困难，自然应该提高空气温度，对于进气预热起动器的应用就是基于这种认识 实际上，柴油机的燃烧属于喷雾扩散燃烧，喷雾时间短（1～3ms），缸内混合气极不均匀，可燃混合气的品质直接决定燃烧的质量，柴油发动机形成可燃混合气体的过程比混合物燃烧的时间要长得多，适当的混合气体形成后，其燃烧瞬间就会完成。使燃料快速吸热升温、挥发与空气形成足够量的可燃性气体，是柴油机迅速点火的基本条件，由于柴油的挥发压力与燃料的温度有关：燃料的温度升高，挥发压力增大，燃料挥发的速度加快，浓度增加，可加快形成燃烧的速度就增大。反之燃料的温度低，挥发压力就低，燃料挥发的速度就慢，形成燃烧的速度就降低。因此，燃料本身温度才是使燃料快速进入燃烧状态的重要的初始条件，而预热的高温空气并不能使燃料直接燃烧，只有燃料吸收一定的空气的热量，才能吸热升温挥发与空气形成足够量的可燃性气体。
柴油形成混合气体燃烧必须满足自身特性所决定的三个温度点条件：
第一温度点条件：闪点温度（燃料挥发与空气形成可燃性气体的最低温度。柴油燃料闪点温度 62°C。）
第二温度点条件：点火点温度（燃料挥发与空气形成可燃性气体的量可以保证连续燃烧时的温度。在此状态下须有火源作用，燃烧可以连续进行。）
第三温度点条件：燃烧温度（燃料本身燃烧，化学反应产生的活化能可以保证燃料连续燃烧时的温度，在此燃烧状态下，无须点火源继续作用，燃烧也可以连续进行。柴油燃料燃烧温度: 210°C 。）
在低温状态下，不易完全蒸发参与燃烧.柴油燃料达到上述温度和形成足够可燃性气体量的难度增大 。柴油发动机气缸内混合气形成时间与燃烧的时间非常短，一般，一个冲程的时间为（0.0017～0.004秒），在这样的短的时间条件下，由发动机进口吸入汽缸中的预热空气与喷入汽缸的低温柴油的瞬间换热没有充分进行，一个冲程就已经结束。实际换热反应的速度跟不上化学平衡的需要，即每一瞬间的化学动力状态都与化学平衡状态有一定差距，使得低温柴油无法从高温气体中得到足够的热量、升温、挥发，无法产生足够的蒸发驱动力，使空间雾化型混合气蒸发与油膜蒸发型混合气蒸发速度降低；低温柴油的粘度导致的不均匀雾化状态大大地降低了低温柴油液滴与高温空气接触的比表面积，降低了换热效率，增加了热交换的难度，实际上进气预热起动器工作的表面温度达800－1000多度，功率几百瓦，发动机进口处的静态空气温度很高，其温度和所含热值远远大于柴油燃烧所需要的温度和热量，此时，缸内温度虽已远远超过柴油的自燃温度 （可达 400～800 ℃） ，但并不马上着火。仍无法点燃柴油发动机的关键在于换热的问题上――低温柴油短时间无法快速受热升温、达到燃料挥发的最低温度，挥发形成足够量的可燃性气体。
　

预热的空气降低了进入燃烧汽缸内的实际供氧量，降低了可燃混合气体的实际氧分子比例含量，使燃烧更难进行；
进排气的效率是决定发动机性能好坏的重要因素，当发动机正常运转时活塞的往复运动速度是非常快的，在3000转/分钟的转速下发动机完成每一个进气或排气行程的时间只有0.04秒，要想在这么短的时间内吸进或排出更多的气体就要增大进、排气的有效面积。于是有的发动机便采用了多气门技术。
　但是事物总有矛盾性，空气压力的提高就是空气密度的提高，空气密度的提高必然会使空气温度也同时增高，这如同给轮胎打气时泵会发热一样。发动机涡轮增压器的出风口温度也会随着压力增大而升高，温度提高反过来会限制空气密度的提高，要进一步提高空气密度就要降低增压空气的温度。据实验显示，在相同的空燃比条件下，增压空气温度每下降10摄氏度，柴油机功率能提高3%－5%，还能降低排放中的氮氧化合物（NOx），改善发动机的低速性能。因此，也就产生了中间冷却技术。
　　柴油喷入气缸，与高压高温的空气混合换热，并与空气中的氧分子充分接触，形成足够可燃混合气体后，才能燃烧。温度对单位体积内的气体重量有很大影响。进入发动机汽缸的空气温度越低，气缸就可容纳更多的空气，汽缸中的氧分子也就越多以产生更大的燃烧效率。大家发现汽车在冬天时的动力表现比夏天好就是这个道理
因此由发动机进口吸入汽缸中的氧分子的量是使燃料快速进入燃烧状态的重要条件。
预热气体的热膨胀率相比固体和液体大得多，因此温度对单位体积内的气体重量有很大影响。经进气预热起动器预热的高温气体由于体积膨胀，减少了氧气的浓度，使进入燃烧汽缸内的实际的氧分子数量被大大降低；由于化学反应速度与氧气浓度关系为大于1的指数关系，所以氧气浓度的较小变化，会引起化学反应速度明显变化；造成了化学反应速率的下降是非常明显的。；同时经过预热起动器炽热高温表面的氧分子与氮分子的反应大大增加了有害气体的排放量（因此许多发动机要求限制进汽温度。），进一步降低了进入燃烧汽缸内的实际的氧分子数量，使燃烧更难进行。

（二） 高进气温度增加废气有害成分，不利汽车的环保要求。

众多的试验结果表明，随着空气温度的提高，发动机有害气体排放量（NOx、CO）的含量大大增加了有害气体的排放量（因此许多发动机要求限制进汽温度。），目前, 被广泛采用的捷尔杜维奇(Zeldovich)链反应机理理论研究表明，在燃烧室的高温条件下的燃烧反应连锁反应，分子状态的氮和原子状态的氧碰撞，或氧分子和氮原子碰撞生成N O生成的正反应速度常数在很大程度上取决温度；整个NO的形成在很大程度上取决于气体温度。

（三） 对于进气预热起动器 降低有效进口面积，破坏进气流场，降低燃烧效率，增加复杂的控制电路，故障点增加，一旦不能断电炽热的表面温度，威胁发动机及整车安全。控制系统复杂，故障点增加

布置在进汽通道中的电加热器，挤占宝贵的进汽通道面积降低有效进口面积，据计算，有的电加热器占10％，破坏进气流场，降低燃烧效率。
解决方案

目前，在国外，越来越多地把燃烧方法和燃料性能结合起来进行了试验研究，采用的先进的对柴油燃料直接预热的高压油管油管加热技术取代进气预热起动器。减少汽缸中的换热时间，使燃料在发动机燃烧室里迅速蒸发气化，快速进入燃烧状态迅速点火；经预热使运动粘度降低，大大改善柴油的低温流动性，有利于喷油嘴均匀喷油。外置式加热器对高压油管中的低温柴油进行传导加热，加热器在金属油管外表面沿着油管通油方向均匀加热。在 -30℃的气候条件下只需 3-5 分钟即可使冷冻的柴油熔解、升温、启动发动机；内置式加热器对低压油管中的低温柴油进行传导加热，加热器在油管内沿着油管通油方向均匀加热。可使冷冻的柴油熔解、升温，防止析蜡，保证发动机正常工作；同时，有明显的节油效果。。不改变现有汽车的任何结构，且控制简单，是进气预热起动器的理想换代产品，被认为现代柴油机新技术的应用提供很好的条件，是解决柴油发动机低温点火起动问题新方案。

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关于柴油发动机低温起动预热装置――进气预热器的问题，以下是专业回复：

进气预热器在柴油发动机低温启动过程中起到关键作用，但目前存在一些问题。主要问题在于预热效率不稳定，受环境温度影响大，导致在极端低温条件下启动性能不佳。此外，预热器设计复杂，制造成本较高，维护相对困难。针对这些问题，我们正在研究改进方案，如优化预热器结构、提高材料性能等，以提高柴油发动机在低温环境下的启动性能。感谢提问者提出的相关问题，我们会持续关注并寻求最佳解决方案。