1、卡车在低温环境下使用高凝点标号柴油的安全性研究 于秩祥 江苏建筑职业技术学院实验实训与职业技能管理中心 摘 要： 在目前国力下, 我国卡车广泛使用柴油机为动力的动力源。由于我国地域辽阔, 南北温差大, 当天气突然变冷和在比较寒冷的季节或地区时, 柴油凝点选择不当, 柴油流动性变差, 柴油或者柴油机进油管容易被冻凝固, 车辆难以运行, 导致事故发生。为解决高凝点标号柴油不冻或不凝固, 提高卡车柴油机在低温环境下使用高凝点标号柴油的安全性, 通过多次研究和试验运用, 在不改变车辆内部结构的情况下, 研制了复合管技术, 利用热交换原理使卡车柴油机冷却系统产生的热量对柴油直接加热, 解决了柴油被冻凝固
2、难题, 促进了柴油流动。同时柴油冷却了冷却水, 实现了能量互补与交换。加热后的柴油得到充分雾化燃烧, 保障了柴油机正常运行, 全面提高了卡车的动力性、经济性和安全性, 减少了尾气和热量排放, 彻底解决了柴油机车的安全运行, 2015 年取得国家发明专利。关键词： 卡车; 柴油; 高凝点; 复合管; 冷却水; 温度; 廉价; 安全; 作者简介：于秩祥, 山东临沂人, 江苏建筑职业技术学院机电工程技术实训中心主任, 主要从事汽车安全技术检测, 发动机性能检验, 工程机械车辆结构改装, 汽车电子电器、汽车和工程机械车辆理论研究与教学。收稿日期：2016-05-11Safety Study on th
3、e Use of High Solidifying Point Label Diesel in Low Temperature EnvironmentYU Zhixiang Experimental Training and Vocational Skills Management Center, Jiangsu Institute of Architectural Technology; Abstract： In nowadays China, trucks widely use diesel engine as the driving force of the power source.
4、As you know, our country has a vast territory and the temperature difference between the north and the south is big. When the weather suddenly turns cold and the truck runs in the cold season or area of operation, the improper selection of the pour point of diesel, diesel fuel flow variation, a dies
5、el or a diesel oil inlet pipe is easy to bring about frozen solidification and it is difficult to run the vehicle, resulting in the accident. In order to solve the problem that high pour point grade diesel oil does not freeze or not solidify, the study is conducted to improve the safety of using hig
6、h pour point grade diesel under low temperature environment. Through many times of experimental study and use and no change of the internal structure of the vehicle, the compound tube technology is developed, in which the heat produced from truck diesel engine cooling system directly warms the diese
7、l based on the principle of heat exchange, the diesel oil will not be solidified and the flow of diesel will be promoted. At the same time, the cooling water is cooled and the energy is complementary and exchanged. After the heating, the diesel oil is fully atomized and combusted, which can ensure t
8、he normal operation of the diesel engine, comprehensively improve the power of the truck and safety and reduce the exhaust and heat emissions, as well as the cost. It has completely solved the safe operation of the diesel engine and in 2015 it had won the national invention patent.Keyword： trucks; d
9、iesel oil; high solidifying point; compound tube; cooling water; temperature; cheap; safety; Received： 2016-05-110 引言在我国交通运输行业, 由于卡车柴油发动机热效率高、扭矩大和油耗低, 特别是柴油廉价、经济实惠, 受到了广大用户的欢迎。所以, 使用柴油机为动力的车辆, 社会需求量越来越大。同时, 交通事故率和故障率也在不断上升。虽然国家在此方面采取了很多防范措施, 但是, 事故与故障率仍然难以遏止。导致事故难以遏止的主要原因:一是我国地域辽阔, 南北温差大, 由于高凝点标号柴油廉
10、价, 大部分车辆使用高凝点标号柴油。当天气突然降温或进入冬季时, 气温降至到-5至-50左右, 正在运行的车辆或工程机械, 由于运行速度, 所造成的风速也很大, 车辆所用柴油很容易受冻凝固, 油管不畅通, 导致车辆不能安全运行, 甚至出现车毁人亡的事故。二是我国交通运输行业费用越来越高, 迫使车辆运输用户不能使用低凝点标号高价柴油 (-35 或-50 号) , 只能选择高凝点标号低价柴油 (0 号或者-10 号) , 就是在进入比较寒冷的季节, 有时也选择高凝点标号低价柴油, 以维持生存。所以, 导致我国的交通事故率居高不下1。如何解决卡车柴油防冻保护技术, 已经成为我国民用卡车和交通运输安全
11、的重大难题。针对社会急需的这种难题, 我们通过潜心研究, 终于攻克难关。截止2015 年, 已取得国家 10 项实用新型专利, 3 项发明专利。1 柴油机特性和柴油加热装置研究分析1.1 柴油特性分析柴油机具有良好的动力性和燃油经济性, 使用单位量的柴油燃烧比汽油热效率高。我国 95%以上的商用车辆 (卡车和大型客车) , 都采用柴油为燃料的发动机。我国柴油是根据凝点和环境气温划分使用的。柴油凝点的不同导致柴油的成分不同, 在不同的环境温度下, 柴油的流动性不同。当环境温度降低时, 柴油的流动性变差, 达到凝点值以下时, 柴油会完全凝固, 导致柴油机停机, 造成事故发生。当使用高凝点标号柴油时
12、, 环境温度在 30左右, 柴油温度在20至 40时, 柴油分子热运动剧烈, 能提高喷油器喷油后的雾化和蒸发性能, 促进燃烧, 减少炭粒和黑烟的形成。当环境温度降至-10以下 (不包括卡车在运行中由于行驶速度形成的风力下降温度) 时, 高凝点标号柴油很快稠化凝固, 导致燃油系统供油不畅, 致使柴油机不能正常运转。同时, 柴油运动黏度降低将加速燃油系统中精密配合偶件的磨损, 直接导致事故或故障的发生。1.2 柴油加热装置的研究设计与选择根据高凝点标号柴油的特点, 研制了在车辆柴油机油箱底壳的下表面固定电子加热器的方法, 以保障柴油和润滑油的适宜温度2。又研制了在柴油油箱底壳内部安装加热管的方法3
13、。还研制了利用车辆本身散热器4, 以及运用车辆的空气压缩机热量给柴油加温的装置与方法等5。上述研制的这些装置与方法, 都能解决高凝点标号柴油加温和保障柴油机车在寒冷季节的安全运行。但是, 这些装置与方法或多或少的都需要在车辆上增加一定的装置或者进行改动, 对于高速运动的车辆来说, 增加了一定的困难, 不符合车辆管理要求或者车辆本身需要。要设计出完美无缺、符合安全人机工程学要求的柴油加热技术最好借助车辆本身产生的热量, 运用热交换原理解决。1.3 车辆本身产生的热量分析车辆的运转, 是由于车辆本身发动机气缸内部燃料爆炸燃烧, 推动活塞运转对外输出动力的作用。在这整个过程中会产生大量热量, 需要冷
14、却系统对其冷却降温, 并控制在一定的温度内, 保证柴油机的正常运转6。由于产生大量的热量, 需要用冷却液进行冷却, 同时散热器和风扇还要将冷却液降温, 将部分热量释放给外界。由此可知, 在车辆发动机运行中产生的热量被冷却液带走的同时, 还必须通过冷却系统将部分热量释放掉。为此, 要提高车辆的燃油经济性和解决发动机产生的热量, 应该研究对发动机的热量进行回收或利用。可否运用热交换原理使卡车柴油机冷却系统内的热量对柴油直接加热即在不增加车辆本身零部件, 又将这部分释放的热量加以利用, 变有害为无害?通过反复试验研究, 完全可以实现。2 热交换关键安全技术研究与运用2.1 热交换基本结构设计与原理卡
15、车是由众多个零星部件组合而成的运动物体。其中油、水和气是由众多个管子错综联接, 满足车辆的正常行驶。所以, 卡车运动的特殊性要求, 车辆结构越简单、零部件越少越好。为此, 研究制造一种复合管, 使为冷却发动机产生的热水, 与发动机所需的柴油共走一个管。即专制一种复合管:管内有隔层, 一层流发动机冷却水, 一层流柴油;或者内层流柴油, 外层流冷却水。利用发动机冷却水 (冷却液) 的循环系统, 对油路中柴油直接加热, 就可以实现热交换, 如图 1 所示。发动机产生的热量, 在复合管内通过冷却水传递给柴油。柴油吸收了热量, 温度提升, 增加柴油的流动性, 提高柴油喷射雾化质量, 保证了柴油机的良好运
16、转。从而减少了废气排放, 杜绝了事故发生。图 1 柴油机冷却液与柴油油管热交换原理示意 下载原图在卡车柴油机正常工作状况下, 冷却液一般在 80100左右, 利用这种余热对柴油进行加温不仅完全够用, 而且柴油吸收了冷却液热量, 减少了冷却液在冷却系统中循环, 也就减少了热量排放与蒸发。2.2 复合管技术的研制设计和形状将柴油机燃油系统的低压进油管复合在柴油机冷却系统的回水管上, 油管内的油腔与水管内的水腔相互隔开, 在复合部分油管和水管之间有共同的隔层, 隔层将油管和水管复合为一个整体, 见图 1 所示。在分离部分油管和水管相分离。油水复合管, 油即柴油, 水即冷却水 (冷却液) 。油水复合管
17、是由防燃、抗爆裂, 抗高压、防腐蚀, 防高温、防折损、易耐用和易弯曲的有机高分子材料制成。根据实际需要可以制成粗细不等的直径和多种形状管, 以保障各自的流量流速匹配, 传热和冷却同行共存, 并满足柴油的热量需求7。如图 2 所示。图 2 复合管图 下载原图1-复合管;2-水管;3-油管为有效利用冷却系统回水管冷却液释放的热量, 将柴油充分加热利用。图 3 设计了一种形状管。油管 2 在回水管 3 内形成复合管 1, 流经油管中的柴油能被充分加热, 一般能达到 5070。对于车辆在严寒的冬季高速行驶时, 可以有效避免进油管因外界温度过低而降低柴油的流动性。图 3 是研究设计的其中一种复合管形状。
18、图 3 全包围复合油管结构 下载原图1-复合管;2-油管;3-水管;4-隔层2.3 复合管技术创新点研究设计的复合管技术, 符合了车辆本身的特点和安全人机工程学的要求:一是将车辆中原有的排放热水管 (回水管) 和柴油管 (进油管) 复合成一根管 (管径、形状、流量流速和导热根据实际需要制定) , 利用管子的隔层, 柴油吸收热量, 温度得到快速提升;冷却水释放热量, 温度得到快速下降。双方不停的能量交换, 满足了车辆各自的需求。二是没有改变车辆本身的任何结构, 反而减少了车辆本身的零部件, 使车辆设计更加合理。三是巧妙的运用了车辆本身产生的、并将释放的热量, 减少车辆对外排放的热量, 同时柴油冷
19、却了冷却水, 实现了能量的互补。四是彻底解决了柴油受冻凝固难题, 柴油机车在高寒环境下可以使用高凝点标号柴油, 绝对安全可靠。3 车辆安全运行经济性分析3.1 试验方法与项目结合车辆运行实际, 采用试验对比及数理统计方法, 实施信息反馈, 验证车辆使用复合管技术与未使用复合管技术的经济性。试验采用 GB/T 278402011商用车燃料消耗测量方法, 车辆采用某国产牵引卡车, 技术参数见表1 所示。车辆技术状况良好, 行驶 6 个月, 5 万公里。测试车辆满载。试验环境:天气温度在-18-32, 晴, 微风。道路类型为城市公路和高速公路, 路面为柏油沥青和混凝土路面, 地面滚动阻力系数为 0.
20、0100.018。表 1 某国产牵引卡车技术参数 下载原表 试验项目采用标准中所采用的 C-WTVC 循环, 是以世界统一的商用车辆瞬态车辆循环 (WTVC, World Transient Vehicle Cycle) 为基础, 调整加速度和减速度形成的驾驶循环。C-WTVC 循环由市区、公路和高速工况三部分组成。针对卡车在市区、公路和高速工况的里程分布进行调查, 并据此相应调整市区、公路和高速工况运行比例, 使其与我国道路运输条件和车辆的技术特点相适应, 加权计算各类车辆的燃料消耗量8。标准中规定了其在 C-WTVC 循环中市区、公路和高速部分的特征里程分配比例, 如表 2 所示。表 2
21、特征里程分配比例 下载原表 3.2 综合燃料消耗量计算参照标准, 根据实际测试得到市区、公路和高速工况的燃料消耗量, 对照表 2确定该车型市区、公路和高速部分的特征里程分配比例, 按式 (1) 可以加权计算该车型的综合燃料消耗量。式中, FC 综合 为一个完整的 C-WTVC 循环的综合燃料消耗量, L (以百公里计) ;FC 市区 为市区燃料消耗量, L (以百公里计) ;FC 公路 为公路燃料消耗量, L (以百公里计) ;FC 高速 为高速公路燃料消耗量, L (以百公里计) ;D 市区 为市区里程分配比例系数, %;D 公路 为公路里程分配比例系数, %;D 高速 为高速公路里程分配比
22、例系数, %。3.3 道路试验数据对比分析按照国家标准和实际道路测试数据进行分析。由于驾驶习惯、道路状况、气候条件和柴油品质等因素的影响, 实际燃油消耗量可能与厂家标示的燃油消耗量有所不同。测试车辆型号相同, 技术状况接近, 一辆卡车在油箱与高压油泵之间采用复合管技术 (1 号车辆) , 另一辆未采用 (2 号车辆) 。根据环境气温, 柴油选择凝点标号为-35 号。测试总里程 5 300 公里左右, 单次里程 500 公里左右, 测试次数 10 次, 两车道路状况一致, 行驶里程基本一致。测试车辆按照C-WTVC 循环工况行驶, 行驶道路按照表 2 所示分配, 依据式 (1) 进行综合油耗计算
23、, 对比数据见表 3 所示。车辆运行时复合管柴油温度在 50以上。表 3 综合油耗对比分析 下载原表 根据实际测试和计算, 采用复合管技术的卡车平均百公里综合油耗 29.84 L, 未采用复合管技术的卡车平均百公里综合油耗 31.54 L, 两者相差 1.7L。采用复合管技术的卡车在严寒环境温度下具有一定的节油性, 验证了复合管技术能提高卡车的燃油经济性。所以, 若采用高凝点标号柴油 (-10 号或 0 号) , 能有效防止柴油凝固, 提高卡车燃油经济性, 确保车辆安全运行9。3.4 试验分析总结在环境温度-18-32、柴油选择凝点标号-35 号的情况下, 复合管内的柴油温度达到 50以上,
24、使柴油分子热运动剧烈, 提高了喷油雾化质量, 柴油燃烧充分, 收到了耗油量较低的成效, 提升了发动机的工作效率。说明复合管技术完全可以解决柴油机车使用高凝点标号柴油的安全问题。4 结论(1) 油水复合管技术的发明, 是运用热交换原理, 将柴油机冷却液循环系统的热量, 直接给柴油加热。彻底解决了油管中的油在低温环境下被冻凝固的问题;同时热量使柴油分子热运动剧烈, 提高了喷油器喷油后的雾化和蒸发性能, 促进了燃烧, 降低了油耗, 杜绝炭粒和黑烟的形成。解决了气温在-10以下时, 卡车使用高凝点标号柴油的难题, 实现了质的安全10。(2) 由于柴油吸收了柴油机热量, 自然对循环冷却液的温度起到了冷却
25、作用, 使冷却液的温度得以快速降低, 减少了冷却液的蒸发;同时也减少了车辆对外排放的热量, 保护了环境。(3) 加热后的柴油保障了合理的运动粘度, 减少了喷油泵和喷油器内精密配合偶件和针阀偶件的磨损。进入发动机内的柴油得到了充分燃烧, 提升了发动机的工作效率, 减少了柴油机供油系统的故障, 延长了车辆使用寿命, 降低了车辆使用和维护成本, 提高了车辆的安全性。(4) 复合管与复合管技术运用, 是利用油管从水管中通过或合二为一的原理, 由过去的两根管变成一根管。一方面冷却水和柴油在各自的流行中实现了能量交换 (水释放了热量受到了冷却, 柴油释放了冷气吸收了热量) 。另一方面节省了车辆内部空间,
26、使车辆内部结构设计更加完美合理与有效利用。(5) 采用油水复合管技术的车辆, 促使柴油分子热运动剧烈, 节省了柴油 (每百公里综合节油 1.7L) , 提高了车辆燃油的经济性。特别是高凝点标号柴油价格比低凝点标号柴油价格廉价, 满足了客户采用高凝点标号柴油的需求, 加速了交通运输业的安全发展。(6) 本设计在不改变卡车原有结构基础上的研究发明, 便于运用, 技术简单, 安全可靠。由于在商用牵引车辆上试验和运用成功, 取得了国家发明专利 (专利号 ZL201210457125) 。参考文献1于殿宝, 李大鹏, 廉理.关于事故发生规律的研究J.工业安全与环保, 2012, 38 (7) :53-5
27、6. 2于秩祥, 王正杨, 刘春梅.工程机械车辆柴油机润滑油加热装置P.北京:中华人民共和国知识产权局, 2014204065621, 2014. 3于秩祥, 庞海艳, 刘春梅.工程机械车辆柴油机机油加热装置P.北京:中华人民共和国知识产权局, 2014204116873, 2014. 4于秩祥.利用发动机散热器水温的车辆油路防冻装置及方法P.北京:中华人民共和国知识产权局, 2013100237154, 2015. 5于秩祥.利用空气压缩机的车辆油路防冻装置和方法P.北京:中华人民共和国知识产权局, 2013100211703, 2015. 6于秩祥.汽车传感器原理应用M.长春:吉林人民出版社, 2013:1-16. 7于秩祥.水油复合管及利用该管的汽车油路防冻装置与方法P.北京:中华人民共和国知识产权局, 201210457125, 2015. 8安相璧.汽车试验工程M.北京:国防工业出版社, 2006. 9于殿宝.事故学概论M.北京:煤炭工业出版社, 2011:105-117. 10陈宝智.安全原理M.北京:冶金工业出版社, 2002.
