CN103266975A - 在柴油机冷启动中基于高分子导电膜的油箱加热系统 - Google Patents
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Abstract
本发明利用高分子加热膜作加热材料，将高分子导电膜固定于油箱内部，并用绝缘材料将高分子材料与柴油隔离。在启动前通电融化柴油。本发明中的热量损失少；结构简单方便；与原有油箱制作工艺配套，加工方便；加热集中，能快速融化结蜡的柴油。本发明主要针对柴油在低温下的结蜡，在低温条件下，机油黏度变大(当机油温度从50℃降至-20℃时，黏度增大近300倍)，起动时运转阻力增大，起动转速低。本发明对发动机启动系统的重要部分进行加热，确保在低温-40℃的环境下，使结蜡的柴油融化，保持正常温度下的工作状态。
Description
技术领域
本发明涉及柴油机冷启动领域，更具体地说，涉及一种在柴油机冷启动中基于高分子导电膜的油箱加热系统，还涉及装有这种油箱加热系统的车辆。
背景技术
随着汽车运输业的高速发展，汽车的使用对人们越来越重要。在广泛的使用环境中，无论是地形条件还是气候条件，全国各地差异很大。如东北的严寒环境中，柴油机等部件的工作状况会有变化，使汽车的启动性能变差，也影响到人们的正常生活。
在寒冷季节，内燃机车、轮船、钻机、起动设备等难以启动或正常运行， 经常可以看到柴油车因柴油结蜡而无法启动或中途抛车的现象；司机最常用的解决此问题的方法是用火烤油箱等部位，由此引燃车体造成烧毁车辆的事故时有发生。车辆如遇暴风雪等低温恶劣天气中途抛车，将威胁到司乘人员的生命安全。此外，在装甲车等军用车辆上的意义不言而喻。
为解决以上问题，柴油机冷启动方面的应用研究有着很重要市场应用和实用价值。因而，研究汽车柴油机在低温条件下的启动，采取相应的技术措施，对于改善其使用性能，满足人们生活需要，节约油材料,确保行车安全，保证汽车合理使用具有重大意义。
柴油机冷启动性能差，是柴油机在使用过程中存在的突出问题。主要原因是用户对影响启动的因素了解不深。因此，分析柴油机冷启动的影响因素，提出改善柴油机冷启动性能的措施，具有实际意义。柴油机的低温起动能力直接影响内燃机的工作可靠性和整机的工作效率，因此研究柴油机的低温起动，对于改善柴油车辆的使用性能有着重要意义。改善柴油机的低温起动性能除了对柴油机自身进行优化设计外, 最重要的是采用低温辅助措施。
在冬季低温环境下柴油机启动困难的原因如下：
一、柴油机曲轴旋转阻力矩和起动转速在低温条件下主要受机油粘度的影响。随着外界温度的降低，柴油机机油粘度增加，甚至凝结，流动性差，各摩擦部件之间的阻力加大，从而加大了曲轴的旋转阻力矩，使柴油机起动转速降低。气缸内压缩终了时的空气温度达不到起动时的必需温度，且气缸内压缩空气的压力也明显低于正常起动时所要求的压力。
二、柴油机所选用的机油粘度等级越大，使柴油机起动所需要的功率也越大。例如，某柴油机在-23.3℃温度下，使用SAE10W机油只需3.7kw的起动功率，使用SAE20W则需7.4kw，而使用SAE30竟增加到11.8kw的起动功率。
三、随着外界温度的降低，柴油的粘度和密度均增大，表面张力加大。据测定，当气温从40℃降到-10℃时，柴油的粘度提高83%，密度增大8%。这样就使柴油的流动性变差，雾化不良，延长了着火滞后期。
四、蓄电池的输出能力降低。蓄电池的最佳工作温度在10℃～40℃范围，随着温度的降低，蓄电池的电解液粘度增大，向极板的渗透能力下降，内阻增加；而为了防止电解液结冰，外界温度越低，越需加大电解液密度。同时，起动柴油机时蓄电池的放电电流很大，从而使蓄电池的端电压及容量明显下降。导致起动机无力拖动柴油机旋转或不能达到最低起动转速，使柴油机难以着火运转。
目前，针对上述原因，采用的提高柴油机冷启动性能的主要措施如下：
一、保温。对发动机保温的目的，是使发动机在正常温度状态下工作。主要采用发动机和水箱保温套、冷却系统加注防冻液、蓄电池采用木质保温箱、燃油箱尽可能靠近排气管以利用排气余热保温柴油。
二、预热。一般是采取在发动机启动前向冷却系统加热水的方法。具体操作方法是：将90℃～95 ℃的热水注入冷却系统，注满后将放水阀打开，使热水边加边流，待流出的热水达到30℃～40℃时，将放水阀关闭，保持约10～15分钟，此时发动机水套里的水温与汽缸套的温度趋于一致，发动机较易启动。此种方法只能预热发动机汽缸套， 曲轴、连杆轴承、曲轴箱得不到预热。预热曲轴箱的方法是：放出机油， 将机油放人热水和蒸气中预热，并马上注人曲轴箱，摇转曲轴，使各运动表面充满机油，以减少启动阻力，切忌直接烧烤油底壳。目前柴油车上大多采用在进气管加设预热塞和在燃烧室设置预热塞的方法来预热压缩空气，提高冷启动性能。切忌采用将空气滤清器取掉，用明火烧进气道的方法。
三、合理使用燃料和润滑油。温度低时，要求燃料有良好的挥发性和流动性，含硫量低，以便启动时减少磨损，便于启动。选用燃料， 应根据温度选择，一般温度越低，选用牌号越低。如选择不当，会使柴油凝结，堵塞油管和滤清器。同时润滑油也应选择戮度低、流动性好的稠化机油。
四、喷入辅助燃料。经进气管吸人辅助燃料，也是改善冷启动性能的方法之一。例如，通常使用的二乙醚等。试验表明，当二乙醚的吸入量为燃料喷射量的40 %～50 %左右时，启动性最好。其主要原因是由于吸人燃料在火焰前反应中的生成物质促进了主要燃料的着火，因此，为提高启动性，应吸入易引起火焰前反应的燃料。例如，吸入十六烷值较高的燃料，即可改善冷启动性能，十六烷值越高，启动性得到改善越好，启动时间缩短。
五、目前国内外已有一些正温度系数(PTC)材料及元器件用于柴油车低温启动方面的专利以及论述冷启动的文章；但由于发热元件形状单一(板状或带状)，加热效果、密封等存在问题，至今未见商品化应用。
六、采用所研制的汽车电源电压下适用的自限温发热专用料、加热带以及可连续化生产的、大功率的发热元件——自限温发热管，组装成组合加热器，研究了其电热特性，并进行了装车及冷启动试验，拟解决柴油发动机低温冷启动的问题。但在结蜡不加热的情况下，虽冷启动成功，但运行半小时即熄火。这是由于油箱中的柴油少量的组分已结蜡，点火后在供油过程中，结蜡部分会在油水分离器内聚集， 达到一定量后堵塞、断流而熄火。故此方案也不能完全解决柴油冷启动并保证正常工作的使用要求。
目前，国外对于柴油机冷启动的现状主要有以下两种：
一、选用低温性能好的润滑机油：这类润滑机油低温时粘度小，起动时各摩擦部件之间润滑好，起动阻力小，利于起动。单级机油使用温度范围较窄，多级机油可以在较宽的温度范围内工作，一般可选粘度等级SAE5W-40或SAE10W-40的多级机油。
二、采用所研制的汽车电源电压下适用的自限温发热专用料、加热带以及可连续化生产的、大功率的发热元件——自限温发热管，组装成组合加热器，研究了其电中的柴油少量的组分已结蜡，点火后在供油过程中，结蜡部分会在油水分离器内聚集，达到一定量后堵塞、断流而熄火。故此方案也不能完全解决柴油冷启动并保证正常工作的使用要求。
目前，国内对于柴油机冷启动的现状主要有以下四种：
一、保温：对发动机保温的目的，是使发动机在正常温度状态下工作。主要采用发动机和水箱保温套；冷却系统加注防冻液；蓄电池采用木质保温箱；燃油箱尽可能靠近排气管，利用排气余热保温柴油。
二、预热：一般是采取在发动机启动前向冷却系统加热水的方法。具体操作方法是：将90℃～95 ℃的热水注入冷却系统，注满后将放水阀打开，使热水边加边流，待流出的热水达到30℃～40℃时，将放水阀关闭，保持约10～15分钟，此时发动机水套里的水温与汽缸套的温度趋于一致，发动机较易启动。此种方法只能预热发动机汽缸套， 曲轴、连杆轴承、曲轴箱得不到预热。预热曲轴箱的方法是：放出机油， 将机油放人热水和蒸气中预热，并马上注人曲轴箱，摇转曲轴，使各运动表面充满机油，以减少启动阻力，切忌直接烧烤油底壳。目前柴油车上大多采用在进气管加设预热塞和在燃烧室设置预热塞的方法来预热压缩空气，提高冷启动性能。切忌采用将空气滤清器取掉，用明火烧进气道的方法。
三、电启动：中、小功率柴油机广泛采用蓄电池驱动电动机来启动柴油机。常用于简化启动操作和遥控操作的柴油机。电启动的优点是具有重复启动能力，常温条件下启动可靠；操作轻便、启动迅速；启动电机体积小，重量轻；易于实现启动的自动控制。缺点是启动所用的蓄电池体积重量大；蓄电池维护保养不便、寿命短； 低温条件下，蓄电池放电能力下降，启动困难。
四、PTC 预热器：PTC 预热器采用正温度系数热敏陶瓷作柴油机热体，以储热热交换方式工作。
综上，上述方案中均存在着方案复杂、可操作性差、成本高、不能完成满足要求的缺点。因此，解决此问题的难点在于系统设计满足柴油机冷启动并保证持续正常工作，通过合理的结构设计并结合电路及整个系统的合理设计，使能有符合使用要求，且具有优异的性价比，用户使用安全方便。
发明内容
本发明主要针对柴油在低温下的结蜡，在低温条件下，机油黏度变大(当机油温度从50℃降至- 20℃时，黏度增大近300倍)，起动时运转阻力增大，起动转速低。本发明对发动机启动系统的重要部分进行加热，确保在低温-40℃的环境下，使结蜡的柴油融化，保持正常温度下的工作状态。
本发明利用高分子加热膜作加热材料，将高分子导电膜固定于油箱内部，并用绝缘材料将高分子材料与柴油隔离。在启动前通电融化柴油。本发明中的热量损失少；结构简单方便；与原有油箱制作工艺配套，加工方便；加热集中，能快速融化结蜡的柴油。
为此，本发明采用如下的技术方案，在柴油机冷启动中基于高分子导电膜的油箱加热系统，其特征在于，所述油箱加热系统包括油箱加热总成装置，所述油箱加热总成装置包括油箱总成、加热膜、加热膜固定装置和出线螺栓，其中，所述油箱总成包括箱体、加强板、油管；所述加热膜位于所述油箱总成的下部；所述出线螺栓焊接在所述油箱总成的所述箱体上。
上述方案中优选的是，所述加热膜为上下各一片。
上述方案中优选的是，所述加热膜固定装置点焊在所述油箱总成的所述箱体上。
上述方案中优选的是，所述加热膜采用卡扣的方式安装在所述加热膜固定装置上。
上述方案中优选的是，所述加热膜是由高分子导电膜制成的片状结构组合成的。
上述方案中优选的是，两片所述加热膜的间距为0.04米。
上述方案中优选的是，所述加热膜的尺寸为0.3*0.3米。
上述方案中优选的是，所述油箱加热系统还包括温控器、温度传感器和蓄电池。
上述方案中优选的是，所述油箱加热总成装置通过高分子导电膜引线分别与所述温控器和所述温度传感器连接。
上述方案中优选的是，所述蓄电池与所述温控器连接。
上述方案中优选的是，所述温控器与所述温度传感器连接。
车辆，具有油箱加热系统，其特征在于，采用上述任一一项权利要求中所述的油箱加热系统。
本发明提供的柴油机冷启动系统主要采用高分子导电膜进行加热，其有益效果如下：工作可靠，稳定性好；采用高分子导电膜为加热本体，成本低；加热均匀；加热温度时间可按要求调整；加热本体为片状材料，可适应不同的外形结构；不易损坏，即使有部分破损，也不会影响整体系统的正常工作。
本发明提供的柴油机冷启动系统的主要用途如下：提高蓄电池低温下的启动能数；对低温下柴油机的冷启动提供加热，使结蜡的柴油融化；对低温下柴油机低温下启动后提供足够的油量；替代现在采用低温油的方法，用普通油号可在低温环境下使用，降低成本；军用车辆的严酷环境，可采用的冷启动方案；高寒地区柴油机的启动。
附图说明
图1为根据本发明的油箱加热系统的一优选实施例的油箱加热总成结构示意图。
图2为如图1所示的油箱加热总成结构的透视结构示意图。
图3为如图1所示的油箱加热总成结构的油箱总成结构示意图。
图4为如图3所示的油箱总成结构的一侧面结构示意图。
图5为如图3所示的油箱总成结构的又一侧面结构示意图。
图6为如图3所示的油箱总成结构的再一侧面结构示意图。
图7为如图3所示的油箱总成结构的再一侧面结构示意图。
图8为如图3所示的油箱总成结构的再一侧面结构示意图。
图9为如图1所示的油箱加热总成结构的加热膜、加热膜固定装置结构示意图。
图10为如图9所示的加热膜、加热膜固定装置结构的一侧面结构示意图。
图11为如图9所示的加热膜、加热膜固定装置结构的又一侧面结构示意图。
图12为如图9所示的加热膜、加热膜固定装置结构的再一侧面结构示意图。
图13为如图9所示的加热膜、加热膜固定装置结构的再一侧面结构示意图。
图14为如图9所示的加热膜、加热膜固定装置结构的再一侧面结构示意图。
图15为如图1所示的油箱加热总成结构的出线螺栓、导线结构示意图。
图16为根据本发明的油箱加热系统的一优选实施例的油箱加热电路原理图。
图17为根据本发明的油箱加热系统的低温油箱加热测试记录表。
图18为根据本发明的油箱加热系统的加热试验的温度曲线图。
图19为根据本发明的油箱加热系统的加热试验的加热效果示意图一。
图20为根据本发明的油箱加热系统的加热试验的加热效果示意图二。
图21为根据本发明的油箱加热系统的加热试验的加热效果示意图三。
具体实施方式
下面结合附图和优选的实施方式对本发明作进一步详细描述。权利要求中构成要件和实施例中具体实例之间的对应关系可以如下例证。这里的描述意图在于确认在实施例中描述了用来支持在权利要求中陈述的主题的具体实例，由于在实施例中描述了实例，不意味着该具体实例不表示构成要件。相反地，即使在此包含了具体实例作为对应一个构成要件的要素特征，也不意味着该具体实例不表示任何其它构成要件。
此外，这里的描述不意味着对应于实施例中陈述的具体实例的所有主题都在权利要求中引用了。换句话说，这里的描述不否认这种实体，即对应实施例包含的具体实例，但不包含在其任何一项权利要求中，即，能够在以后的修正被分案并申请、或增加的可能发明的实体。
应当注意的是，“系统”在此意味着由两个或更多设备构成的处理。
显而易见地，用户终端可以由个人计算机构成。此外，所述用户终端还可以由例如蜂窝电话、任何其它PDA（个人数字助理）工具、AV（音频视频）装置、诸如家用电气（家庭用电气化）设备的CE（消费电子设备）等构成。
“网络”意味着至少连接了两个设备的机构，并且在其中，一条信息能够从一个设备发送到另一个设备。经由网络建立通信的设备可以是彼此分离的，也可以是构成一个机器的内部模块。
“通信”可表示无线通信和有线通信。然而，还可以是混合无线和有线通信的通信，更具体地，在某个区段采取无线通信而在另一个区段采取有线通信的通信。同样，它也可以是这样的通信：从一个设备向另一设备的通信是有线的，且相反方向的通信是无线的。
柴油机冷启动系统是一种可以让汽车在低温环境下保证汽车正常启动的一套系统。本发明以高分子导电膜材料应用于汽车行业，来解决目前柴油机冷启动困难的问题。依靠汽车蓄电池提供电能，通过高分子导电膜将电能转化为热能，使汽车燃油系统各相关部件进行加热，以满足汽车启动条件。
本发明利用合理的结构设计，将高分子导电膜安装于油箱内部及进油管处，并与汽车蓄电池连接，在汽车启动前开启加热装置，对油箱进行加热。高分子导电膜上设有温度传感器，对加热温度进行探测，确保温度偏高时自动断电。
在-40℃的环境下，通过基于高分子导电膜的油箱加热系统对汽车启动部件的加热，确保在柴油机启动前融化足够的油量，以满足启动和正常运行。
利用高分子加热膜作加热材料，将高分子导电膜固定于油箱内部，并用绝缘材料将高分子材料与柴油隔离，在启动前通电融化柴油。本发明中的热量损失少；结构简单方便；与原有油箱制作工艺配套，加工方便；加热集中，能快速融化结蜡的柴油。
的一优选实施例如下：
图1为根据本发明的油箱加热系统的一优选实施例的油箱加热总成结构示意图。图2为如图1所示的油箱加热总成结构的透视结构示意图。其中，油箱加热总成结构由油箱总成、加热膜、加热膜固定装置、出线螺栓组成。
图3为如图1所示的油箱加热总成结构的油箱总成结构示意图。图4、5、6、7、8均为如图3所示的油箱总成结构的各个不同的侧面结构示意图。其中，油箱总成结构由箱体、加强板、油管组成。
图9为如图1所示的油箱加热总成结构的加热膜、加热膜固定装置结构示意图。图10、11、12、13、14均为如图9所示的加热膜、加热膜固定装置结构的各个不同的侧面结构示意图。其中，所述加热膜为上下各一片。所述加热膜固定装置可点焊在油箱箱体内。所述加热膜采用卡扣方式安装在所述加热膜固定装置上。两片所述加热膜的间距为0.04米，所述加热膜尺寸为0.3X0.3米。
图15为如图1所示的油箱加热总成结构的出线螺栓、导线结构示意图。所述出线螺栓焊接在油箱箱体上。所述导线可固定在油箱的所述加强板上。
图16为根据本发明的油箱加热系统的一优选实施例的油箱加热电路原理图。为了保证加热在合理温度后，停止加热，在加热电路中设计温度传感器，使其能够实时探测温度，当油箱内温度达到某一设定值时，切断加热电路停止加热。
下面给出融化油量所需的热量计算的公式：经与汽车设计厂家沟通调查并查阅相关资料，确认在需保证车正常启动下，油箱内的可用油量应大于5升，则融化5升柴油所需的热量为：
Q=C*M(T1-T2)= 264.6KJ
其中：
C代表-10#柴油的比热容2100J/（kg·℃）；M代表需融化柴油的质量；柴油密度为0.84g/cm3 ；M=0.84X5000=4.2kg；T1代表目标加热温度-10℃；T2代表初始温度-40℃。
加热膜功率密度Wθ（W/m2）参数确定：由Q=WT=2* Wθ*L*S*T可推出：
Wθ=Q/(2*L*S*T)= 817W/m2
其中：
T代表设计加热时间30分钟； W代表总功率；Wθ代表功率密度；L代表加热膜长度0.3m；S代表加热宽度0.3m。
油箱的升温进行试验，其目的是所述
1）在油箱中放入-10#柴油,按设计安装加热膜部件。加热膜部件功率密度要求817W/ m 2，为确保符合要求，现功率密度加大至1000W/m2。
）将油箱总成放入-40度低温箱，保温20小时。
）将加热膜与蓄电池24V150AH连接，对结蜡柴油进行加热。
）加热30分种时，观察柴油温度及状态。
图17为根据本发明的油箱加热系统的低温油箱加热测试记录表。其中，1、2通道为温度探头放于距加热膜0.03米处,3-6通道为温度探头放于靠近加热膜柴油处。7、8通道为温度探头放于低温箱内。
图18为根据本发明的油箱加热系统的加热试验的温度曲线图。图19、20、21为根据本发明的油箱加热系统的加热试验的加热效果示意图。
综上，从试验结果看出，通过高分子加热系统的工作，可以解决低温环境下的柴油机冷启动问题。
上述详细描述通过实施例和/或示意图阐明了系统和/或过程的各种实施例。就这些示意图和/或包含一个或多个功能和/或操作而言，本领域技术人员将理解，这些示意图或实施例中的每一个功能和/或操作都可由各种各样的硬件、软件、固件、或实际上其任意组合来单独地和/或共同地实现。
应该理解，本文描述的方法可以结合硬件或软件，或在适当时结合两者的组合来实现。因此，本发明的方法，可以采用包含在诸如软盘、CD-ROM、硬盘驱动器或任何其他机器可读存储介质等有形介质中的程序代码（即，指令）的形式，其中，当程序代码在可编程计算机上执行的情况下，计算设备通常包括处理器、该处理器可读的存储介质(包括易失性存储器和/或存储元件)、至少一个输入设备、以及至少一个输出设备。一个或多个程序可以例如，通过使用API，可重用控件等来实现或利用结合本发明描述的过程。这样的程序优选地用高级过程语言或面向对象编程语言来实现，以与计算机系统通信。然而，如果需要，该程序可以用汇编语言或机器语言来实现。在任何情形中，语言可以是编译语言或解释语言，且与硬件实现相结合。
需要说明的是，本发明的在柴油机冷启动中基于高分子导电膜的油箱加热系统的方案的范畴包括但不限于上述各部分之间的任意组合。
尽管具体地参考其优选实施例来示出并描述了本发明，但本领域的技术人员可以理解，可以做出形式和细节上的各种改变而不脱离所附权利要求书中所述的本发明的范围。以上结合本发明的具体实施例做了详细描述，但并非是对本发明的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，均仍属于本发明技术方案的范围。
Claims (10)
1.在柴油机冷启动中基于高分子导电膜的油箱加热系统，其特征在于，所述油箱加热系统包括油箱加热总成装置，所述油箱加热总成装置包括油箱总成、加热膜、加热膜固定装置和出线螺栓，其中，
所述油箱总成包括箱体、加强板、油管；
所述加热膜位于所述油箱总成的下部；
所述出线螺栓焊接在所述油箱总成的所述箱体上。
2.如权利要求1所述的油箱加热系统，其特征在于，所述加热膜为上下各一片。
3.如权利要求1所述的油箱加热系统，其特征在于，所述加热膜固定装置点焊在所述油箱总成的所述箱体上。
4.如权利要求1所述的油箱加热系统，其特征在于，所述加热膜采用卡扣的方式安装在所述加热膜固定装置上。
5.如权利要求1所述的油箱加热系统，其特征在于，所述加热膜是由高分子导电膜制成的片状结构组合成的。
6.如权利要求2所述的油箱加热系统，其特征在于，两片所述加热膜的间距为0.04米。
7.如权利要求2所述的油箱加热系统，其特征在于，所述加热膜的尺寸为0.3*0.3米。
8.如权利要求1所述的油箱加热系统，其特征在于，所述油箱加热系统还包括温控器、温度传感器和蓄电池。
9.如权利要求6所述的油箱加热系统，其特征在于，所述油箱加热总成装置通过高分子导电膜引线分别与所述温控器和所述温度传感器连接。
10.如权利要求6所述的油箱加热系统，其特征在于，所述蓄电池与所述温控器连接。
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