尾气加热器引起防冻液变质的原因分析及改进措施

何国华

(金华青年汽车制造有限公司， 浙江 金华 321016)

天然气被作为继煤炭、石油之后的第三大能源，随着CNG、LNG发动机[1]在汽车市场上的普遍应用，其低成本、低排放、抑制温室效应等优点，成为汽车工业的一个重要发展方向。

在客车市场，由于部分车载燃气加热器的噪声大、可靠性低、维护专业性强、成本高、安全性差等缺点[2]，不能被广泛地推广及应用。

1 现象及原因分析

目前，公交市场普遍采用一款典型的尾气加热器，原理如图1所示，从发动机冷却系统内取水，进入尾气加热器，防冻液在经过如图2所示的尾气加热器内盘管时，发动机排出的高温尾气对盘管内的防冻液加热，再由管路循环将热量传递到车厢内，通过散热器、除霜器散发热量，供车厢采暖和前风挡玻璃除霜[3]。但普遍存在一个问题，在冬季使用过程中，运营20 000 km左右即出现防冻液变质、发黑、发臭的问题，失去了发动机防冻液固有的基本功效，也对环境造成了污染。采用更换防冻液、清洗系统管路、更换管路系统零部件等方法，不仅不能彻底解决问题，而且造成很大的工作量和不必要的经济损失。

图2 尾气加热器内部结构

防冻液变质现象及原因分析如下：

1) 车用发动机冷却液[4]，即防冻液，是由纯净水、乙二醇及少量添加剂组成，沸点一般在107～108 ℃，极限温度约115 ℃，使用寿命为2～3年。观察防冻液的外观、辨别其气味，进行直观判别[5]，防冻液应透明、无沉淀、无异味。如果发现外观浑浊，气味异常，说明防冻液已严重变质，无法达到防冻、防腐的性能要求[6]，应立即停止使用。

2) 因天然气发动机自身的燃烧特性[7]，使得其排气温度比柴油发动机要高约200～300 ℃(柴油发动机的排气温度一般在300～400 ℃，燃气发动机的排气温度一般不超过600 ℃)，远远超出防冻液的极限温度，这是引起防冻液变质的外界因素。

传统尾气加热器由于自身结构存在的缺陷，内部通有防冻液的盘管，始终被发动机排出的高温尾气包围，热交换效率无法有效控制，容易造成高温防冻液变质，主要发生在以下几个阶段：

1) 冬季，车辆在运行时，若循环水泵未及时打开或循环水泵因故障停止工作，会造成防冻液未及时流出尾气加热器而被过度加热，使加热器盘管内的防冻液因高温而变质、汽化。

2) 春秋季，在环境温度忽高忽低的情况下，有时仅靠发动机自身产生的热量，通过防冻液循环就可以满足车辆所需供热，尾气加热器进水口球阀和出水口球阀处于关闭状态，尾气加热器内部盘管内残留的防冻液在密封环境内被过度加热而变质、碳化。当再次打开进、出水口的球阀，使用尾气加热器时，变质的防冻液被循环进入冷却管路系统，反复多次操作后，造成系统内防冻液严重污染，并产生严重异味。

3) 夏季，在不使用尾气加热器的情况下，由于进水口球阀和出水口球阀经过长期使用，因高温和老化，密封件密封性能下降，防冻液通过球阀渗入尾气加热器，被高温加热后变质、碳化。

通过对结构、原理及现象的分析，以及大量的测试验证，最终发现：在传统的尾气加热器内，发动机尾气高温气体和加热盘管之间的热量传递无法得到有效控制，造成对盘管内防冻液过度加热，是防冻液变质、发黑、发臭的根本原因。

2 改进措施

通过上述分析，需对传统的尾气加热器结构进行改进。基本原理：在加热器前端增加两片圆形法兰，法兰上各有两组通气孔，如图3右侧视图。一片为静止法兰，固定在加热器外壳上；另一片为转动法兰，固定在排气管上。当转动法兰的外圈通气孔与静止法兰的外圈通气孔重合时，两法兰的内圈通气孔完全错位，气流仅从外圈通气孔通过；当两法兰的内圈通气孔重合时，外圈通气孔完全错位，气流仅能从内圈通气孔通过；转动法兰靠固定在加热器壳体上的推动气缸推动[8]，气缸接入整车气路系统的辅助储气罐，管路内安装一个两位三通电磁阀，加热器出水口安装温度传感器，由温度传感器提供信号控制电磁阀工作。

当车厢需要供暖时，开启尾气加热器的进水口阀门和出水口阀门，开启尾气加热器开关，两位三通电磁阀及循环水泵处于常电状态。

1)当加热器出水口温度低于68 ℃时，两位三通电磁阀工作，整车气路系统的压缩空气推动气缸工作，带动旋转法兰转动，气流从外圈进入加热腔，对盘管内的防冻液进行加热。加热后的防冻液被循环水泵输送到车厢内的散热器及除霜器里。排气气流走向如图3和图4所示。

图3 尾气加热器结构原理(加热状态)

图4 尾气加热器内废气走向(加热状态)

2)当加热器出水口温度高于81 ℃时，两位三通电磁阀断电，控制气缸复位，推动旋转法兰复位，气流从内圈通气孔直接进入排气管，不经过加热腔，直接经排气管路排出。排气气流走向如图5和图6所示。

3)当季节变换，环境温度上升，车厢内长期不需要加热时，加热器开关复位，两位三通电磁阀常断电，循环水泵停止工作，关闭进水口阀门和出水口阀门，发动机排出的高温尾气直接从排气管排出，不经过盘管加热腔，也不会造成防冻液的高温。排气气流走向如图5和图6所示。

图5 尾气加热器结构原理(非加热状态)

图6 尾气加热器内废气走向(非加热状态)

3 结束语

经过改进尾气加热器内部结构，改变高温排气的走向，控制发动机高温排气和盘管内防冻液的热交换时间，使得经过尾气加热器的防冻液温度一直控制在81 ℃左右，有效地预防防冻液过热问题，使尾气加热器的优点得以充分发挥[9-10]。

[1] 郭子锐，邓康耀，曲栓，等.气体发动机技术的发展[J].柴油机，2011，33(6):3-9.

[2] 刘冬.QC/T《汽车燃气加热器》标准的研究与制定[D].西安：长安大学，2006.

[3] 中华人民共和国交通部.客车空调系统技术条件:JT/T 216-2006[S].北京：人民交通出版社，2006:5.

[4] 全国汽车维修标准化技术委员会.机动车发动机冷却液:GB 29743-2013[S].北京：中国标准出版社,2013:9.

[5] 孙迎久.汽车防冻液的使用与真假鉴别[J].汽车运用，2015，36(1):35.

[6] 李德生,谭国斌,岳巍强.汽车防冻液基本功能与使用注意事项[J].汽车运用，2009，30(6):35-36.

[7] 刘峥.汽车发动机原理[M].北京：清华大学出版社，2011：24.

[8] 李新德.气动元件与系统[M].北京：中国电力出版社，2015：281.

[9] 申福林，刘冬.尾气加热器在客车应用的利弊：2005年中国客车学术年会论文集[C].西安：陕西科学技术出版社，2005:167-170.

[10] 张勇，申福林，赵重文.国内外汽车燃油加热器技术比较及发展[J].客车技术与研究,2001,23(6):8-9.