配備駐車加熱器的柴油機(jī)冷起動(dòng)性能改進(jìn)

鄧 勇 袁忠莊 周 江

（中國(guó)第一汽車股份有限公司技術(shù)中心）

1 前言

在我國(guó)新疆、內(nèi)蒙古和東北的部分地區(qū)，冬季嚴(yán)寒條件下的環(huán)境溫度最低時(shí)達(dá)到-30℃以下，極端條件下甚至達(dá)到-40℃以下，要求以這些地區(qū)為目標(biāo)市場(chǎng)而開發(fā)的某型特種車輛具備在-40℃以下極低氣溫條件下的冷起動(dòng)能力。良好的冷起動(dòng)性能是該型特種車輛和柴油機(jī)的重要考核指標(biāo)，也是產(chǎn)品開發(fā)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

駐車加熱器是提高柴油機(jī)冷起動(dòng)能力的非常有效的冷起動(dòng)輔助裝置，但是在實(shí)際產(chǎn)品開發(fā)和試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于電控柴油機(jī)來說，單純通過加裝駐車加熱器的方法并不能直接提高冷起動(dòng)能力，有時(shí)還會(huì)起到相反的效果。因此，需要綜合考慮駐車加熱器對(duì)柴油機(jī)冷起動(dòng)過程的影響以及與其他冷起動(dòng)輔助裝置的工作協(xié)調(diào)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，并重新進(jìn)行冷起動(dòng)標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)和駐車加熱器的協(xié)調(diào)控制，進(jìn)而充分發(fā)揮駐車加熱器的作用，使柴油機(jī)冷起動(dòng)性能得到提高。

2 駐車加熱器的基本工作原理

駐車加熱器是獨(dú)立于柴油機(jī)的加熱裝置，有單獨(dú)的燃油管路、電路、燃燒加熱裝置和控制裝置等，其不需要起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)就可以對(duì)冬季低溫環(huán)境中的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行預(yù)熱升溫。駐車加熱器工作原理是：駐車加熱器與發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系管路串聯(lián)，采用車輛自身的蓄電池供電，從油箱中提取少量燃油到駐車加熱器燃燒室，然后用點(diǎn)火器點(diǎn)燃，通過燃燒燃油所產(chǎn)生的熱量來加熱發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液，并通過自帶的水泵使加熱后的冷卻液在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系管路中循環(huán)流動(dòng)，從而間接加熱發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、潤(rùn)滑系以及進(jìn)氣系，使發(fā)動(dòng)機(jī)整體溫度升高，并大大減小發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部摩擦阻力，從而為發(fā)動(dòng)機(jī)在極端低溫條件下的成功起動(dòng)創(chuàng)造有利條件。某型駐車加熱器的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

3 加裝駐車加熱器后柴油機(jī)初始冷起動(dòng)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)對(duì)象

以高寒地區(qū)為目標(biāo)市場(chǎng)開發(fā)的某型特種車輛所裝備的某型柴油機(jī)，是一款已投放市場(chǎng)的成熟產(chǎn)品，其采用電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)，且在產(chǎn)品開發(fā)階段已經(jīng)經(jīng)過了充分的一般寒區(qū)冷起動(dòng)標(biāo)定和試驗(yàn)驗(yàn)證。標(biāo)定和試驗(yàn)結(jié)果表明，原機(jī)型在不加裝駐車加熱器且僅使用進(jìn)氣加熱器的條件下，最低能夠在－30℃環(huán)境溫度條件下實(shí)現(xiàn)成功的冷起動(dòng)，但不具備在低于－30℃環(huán)境溫度條件下的冷起動(dòng)能力。該機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1所列。

表1 某型電控柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

為了滿足車輛在高寒地區(qū)的環(huán)境適應(yīng)性要求，需要該型柴油機(jī)具備在最低－41℃的極端低溫條件下的冷起動(dòng)能力，因此，對(duì)該型柴油機(jī)加裝了駐車加熱器。

3.2 試驗(yàn)條件

在沒有重新進(jìn)行冷起動(dòng)標(biāo)定的條件下，對(duì)使用駐車加熱器的該型電控柴油機(jī)進(jìn)行了低于－30℃環(huán)境溫度條件下的冷起動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)條件見表2所列。

3.3 初始冷起動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

起動(dòng)前，發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過駐車加熱器一定時(shí)間的預(yù)熱，節(jié)溫器出水口處冷卻液溫度達(dá)到了25℃以上，進(jìn)氣加熱器也按照規(guī)定的最長(zhǎng)預(yù)熱時(shí)間進(jìn)行了預(yù)熱，但是試驗(yàn)結(jié)果出人意料，駐車加熱器對(duì)冷起動(dòng)性能的提高沒有起到立竿見影的效果，冷起動(dòng)性能仍然較差。其主要表現(xiàn)為起動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，雖然起動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)速已經(jīng)足夠高，燃油噴射情況也較好，但是仍然需要兩次以上起動(dòng)才能成功；第一次起動(dòng)需要拖動(dòng)很長(zhǎng)時(shí)間，雖然氣缸內(nèi)有著火跡象，但是著火燃燒后轉(zhuǎn)速上升速度較慢，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速停留在較低的轉(zhuǎn)速區(qū)域大幅度劇烈波動(dòng)，始終無法過渡到怠速，起動(dòng)失?。坏诙纹饎?dòng)也要較長(zhǎng)時(shí)間才能勉強(qiáng)起動(dòng)成功，轉(zhuǎn)速上升速度較慢，無法迅速過渡到怠速穩(wěn)定運(yùn)行。如圖2所示。

表2 某型電控柴油機(jī)在極端低溫條件下冷起動(dòng)試驗(yàn)條件

4 加裝駐車加熱器后柴油機(jī)冷起動(dòng)困難原因分析

為了查找加裝駐車加熱器后柴油機(jī)冷起動(dòng)困難的原因，進(jìn)行了多次相同條件下的冷起動(dòng)試驗(yàn)，對(duì)起動(dòng)前、后及起動(dòng)過程中的各種發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)參數(shù)和電控系統(tǒng)控制參數(shù)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)與記錄。主要測(cè)量參數(shù)有環(huán)境溫度、冷卻液溫度、進(jìn)氣溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、蓄電池電壓、起動(dòng)噴油量、起動(dòng)正時(shí)、起動(dòng)軌壓等[1]。

經(jīng)過對(duì)試驗(yàn)記錄中各測(cè)量參數(shù)的詳細(xì)研究和分析，確認(rèn)加裝駐車加熱器后柴油機(jī)冷起動(dòng)困難的原因主要有以下幾點(diǎn)。

a.加熱后的冷卻液溫度對(duì)起動(dòng)過程中的ECU控制參數(shù)造成不利影響

研究發(fā)現(xiàn)，駐車加熱器對(duì)冷卻液的加熱并不是同時(shí)對(duì)冷卻系內(nèi)全部冷卻液加熱，雖然駐車加熱器的水泵會(huì)驅(qū)動(dòng)冷卻液在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系管路里循環(huán)流動(dòng)，但是由于受駐車加熱器水泵工作能力的限制，此時(shí)的冷卻液循環(huán)流量遠(yuǎn)小于發(fā)動(dòng)機(jī)著火運(yùn)行后的循環(huán)流量，并且隨著循環(huán)路程的加長(zhǎng)，來自駐車加熱器加熱后的的冷卻液的溫度也逐漸降低，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的加熱能力也逐漸下降。因此，在相同的加熱時(shí)間內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)距離駐車加熱器熱水出口處較近的部分比遠(yuǎn)離進(jìn)口處的部分的溫度上升要高，亦即此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)各部分的溫度是不均勻的。

而對(duì)于該型號(hào)電控柴油機(jī)軟件原有的起動(dòng)控制策略來說，其主要通過冷卻液溫度來判斷發(fā)動(dòng)機(jī)整體溫度，并估計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部摩擦阻力的大小。冷卻液溫度越低，則認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)整體溫度越低，內(nèi)部阻力越大，越難以起動(dòng)。在軟件的起動(dòng)控制功能模塊中的進(jìn)氣預(yù)熱MAP、起動(dòng)噴油量MAP、起動(dòng)正時(shí)MAP和起動(dòng)軌壓MAP等控制參數(shù)圖表中，冷卻液溫度都是主要的計(jì)算輸入量，經(jīng)過標(biāo)定人員標(biāo)定后，可以得到對(duì)應(yīng)不同冷卻液溫度條件下的最佳進(jìn)氣預(yù)熱時(shí)間、起動(dòng)噴油量、起動(dòng)正時(shí)和起動(dòng)軌壓，如圖3所示。該型柴油機(jī)經(jīng)過冷起動(dòng)標(biāo)定后，不同的冷卻液溫度對(duì)應(yīng)的起動(dòng)控制參數(shù)之間差別較大，尤其是進(jìn)氣預(yù)熱時(shí)間和起動(dòng)噴油量差別較大。

在該型電控柴油機(jī)上，電控系統(tǒng)中的冷卻液溫度傳感器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)溫器出水口處，如果發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)之前沒有使用駐車加熱器加熱，ECU檢測(cè)到的冷卻液溫度基本上代表了發(fā)動(dòng)機(jī)的整體溫度，能夠真實(shí)反映發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的摩擦阻力情況。如果發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)之前使用駐車加熱器進(jìn)行了加熱，那么這時(shí)ECU檢測(cè)到的冷卻液溫度僅是冷卻液溫度傳感器安裝位置附近的冷卻液溫度，此處的冷卻液溫度實(shí)際上無法代表發(fā)動(dòng)機(jī)的整體溫度狀態(tài)，也無法真實(shí)反映發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的摩擦阻力情況。

因此，在先前的冷起動(dòng)試驗(yàn)中，當(dāng)ECU檢測(cè)到冷卻液溫度為25℃時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)部分加熱的不均勻，只表明傳感器附近的冷卻液溫度達(dá)到了25℃，而發(fā)動(dòng)機(jī)的整體溫度并沒有達(dá)到25℃，這時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部摩擦阻力雖然比－35℃時(shí)要小，但是仍然遠(yuǎn)大于發(fā)動(dòng)機(jī)整體溫度為25℃時(shí)的內(nèi)部摩擦阻力。由于軟件主要檢測(cè)冷卻液溫度傳感器信號(hào)，就對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的整體溫度造成了誤判，進(jìn)而誤以為當(dāng)前對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦阻力已經(jīng)下降到了發(fā)動(dòng)機(jī)整體溫度為25℃時(shí)的較小的水平，計(jì)算出了不正確的偏小進(jìn)氣預(yù)熱時(shí)間、起動(dòng)噴油量、起動(dòng)正時(shí)和起動(dòng)軌壓控制參數(shù)，造成了發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)困難[2]。

b.駐車加熱器和進(jìn)氣加熱器未能進(jìn)行合理的工作協(xié)調(diào)

駐車加熱器由自身的起動(dòng)開關(guān)和控制器控制，進(jìn)氣加熱器由發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)ECU自動(dòng)控制，二者之間是獨(dú)立工作的，如果在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)前駐車加熱器和進(jìn)氣加熱器同時(shí)開始工作，則無法形成有效的工作協(xié)調(diào)。因?yàn)轳v車加熱器工作時(shí)間較長(zhǎng)，將冷卻液溫度由－30℃以下加熱到20℃以上需要15～20 min，有時(shí)為了將冷卻液溫度盡可能的加熱，加熱時(shí)間甚至在30 min以上。駐車加熱器對(duì)蓄電池電能的消耗量很小，主要依靠燃油燃燒對(duì)冷卻液進(jìn)行加熱，且自身配有循環(huán)水泵和熱交換器，長(zhǎng)時(shí)間工作也不會(huì)有過熱問題；而進(jìn)氣加熱器是電阻絲式加熱器，其依靠蓄電池供電對(duì)進(jìn)氣道內(nèi)的空氣進(jìn)行預(yù)熱，受自身結(jié)構(gòu)原理影響，加熱時(shí)間一般不能超過1 min，否則會(huì)燒壞加熱器，或者對(duì)蓄電池電能消耗太大，而影響起動(dòng)機(jī)的起動(dòng)扭矩。

如果在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)前駐車加熱器和進(jìn)氣加熱器同時(shí)開始工作，那么進(jìn)氣加熱器工作約1 min后將自動(dòng)關(guān)閉；在之后駐車加熱器工作的較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，由于環(huán)境溫度較低，剛剛被進(jìn)氣加熱器加熱后的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道內(nèi)的空氣溫度又將逐漸下降，到駐車加熱器工作結(jié)束、發(fā)動(dòng)機(jī)即將冷起動(dòng)之前，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道內(nèi)的空氣溫度將下降到幾乎接近于環(huán)境溫度，使得進(jìn)氣加熱器很大程度上失去了加熱效果，且造成了對(duì)蓄電池電能的浪費(fèi)。因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，進(jìn)入氣缸內(nèi)的空氣溫度仍然較低，不利于燃油著火燃燒，使發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)較為困難。

如果是另一種情況，即先打開駐車加熱器使其工作，當(dāng)駐車加熱器加熱結(jié)束之后再給ECU上電，使進(jìn)氣加熱器工作，則會(huì)發(fā)現(xiàn)實(shí)際上這時(shí)ECU不會(huì)激活進(jìn)氣加熱器工作了，因?yàn)檫@時(shí)候ECU檢測(cè)到水溫已經(jīng)比較高，會(huì)誤以為發(fā)動(dòng)機(jī)溫度已經(jīng)比較高，而不必激活進(jìn)氣加熱器工作。

5 加裝駐車加熱器后柴油機(jī)冷起動(dòng)性能改進(jìn)

5.1 改進(jìn)電控系統(tǒng)硬件和軟件控制策略

5.1.1 電控系統(tǒng)硬件改進(jìn)

在電控系統(tǒng)中增加大氣溫度傳感器，并將其安裝到車輛上駐車加熱器加熱不到的位置，ECU可通過該傳感器采集大氣溫度信號(hào)。因?yàn)槭褂民v車加熱器加熱后，雖然冷卻液溫度、進(jìn)氣溫度等溫度有不同程度的上升，但大氣溫度是不變的。

5.1.2 電控系統(tǒng)軟件控制策略改進(jìn)

5.1.2.1 改進(jìn)1

在ECU軟件內(nèi)增加發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)溫度這一中間計(jì)算量，來替代冷卻液溫度作為起動(dòng)控制功能模塊中的進(jìn)氣預(yù)熱MAP、起動(dòng)噴油量MAP、起動(dòng)正時(shí)MAP和起動(dòng)軌壓MAP等控制參數(shù)圖表的計(jì)算輸入量。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)溫度是一個(gè)綜合了冷卻液溫度、進(jìn)氣溫度和大氣溫度的溫度狀態(tài)量，如圖4所示。

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)溫度的具體計(jì)算策略是：首先取冷卻液溫度和進(jìn)氣溫度的最小值，并以Tmin表示；然后使用大氣溫度對(duì)Tmin進(jìn)行修正計(jì)算，得到最終的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)溫度。修正采用加權(quán)計(jì)算的方式，修正公式為：

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)溫度=大氣溫度×R+Tmin×（1－R） （1）式中，R是大氣溫度修正的加權(quán)系數(shù)，且0≤R≤1，R越大代表大氣溫度所占的權(quán)重比例越高，該系數(shù)按照相應(yīng)的軟件計(jì)算邏輯獲得。

為消除使用駐車加熱器后對(duì)冷卻液溫度和進(jìn)氣溫度的影響，應(yīng)根據(jù)不同的條件，合理標(biāo)定不同的加權(quán)系數(shù)R，具體如下：

a. 當(dāng)大氣溫度高于0°C時(shí)，這時(shí)一般不需要使用駐車加熱器，不需要進(jìn)行大氣溫度修正，加權(quán)系數(shù)R應(yīng)標(biāo)定為0。

b. 當(dāng)Tmin≤大氣溫度＜0°C時(shí)，說明此時(shí)大氣溫度隨環(huán)境溫度變化有一定升高，但發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度和進(jìn)氣溫度的升高有一定滯后 （此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)未起動(dòng)），不需要進(jìn)行大氣溫度修正，加權(quán)系數(shù)R也應(yīng)標(biāo)定為0。

c. 當(dāng)大氣溫度低于0°C且小于Tmin時(shí)，說明已經(jīng)使用了駐車加熱器，需要進(jìn)行大氣溫度修正。大氣溫度與Tmin差值的絕對(duì)值越小，說明駐車加熱器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的加熱程度越低，越需要進(jìn)行大氣溫度修正，加權(quán)系數(shù)R的標(biāo)定應(yīng)越接近于1；大氣溫度與Tmin差值的絕對(duì)值越大，說明駐車加熱器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的加熱程度越高，越不需要進(jìn)行大氣溫度修正，加權(quán)系數(shù)R的標(biāo)定應(yīng)越接近于0。

通過對(duì)大氣溫度修正加權(quán)系數(shù)R的合理標(biāo)定，可以使發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)溫度最大限度地反映使用駐車加熱器后的發(fā)動(dòng)機(jī)整體溫度，解決冷卻液溫度無法直接代表發(fā)動(dòng)機(jī)整體溫度的問題。

電控系統(tǒng)軟件改進(jìn)后，起動(dòng)控制總體策略如圖5所示。

5.1.2.2 改進(jìn)2

建立發(fā)動(dòng)機(jī)ECU和駐車加熱器的工作協(xié)調(diào)聯(lián)系，將駐車加熱器工作開關(guān)信號(hào)引入發(fā)動(dòng)機(jī)ECU，由發(fā)動(dòng)機(jī)ECU檢測(cè)駐車加熱器的工作狀態(tài)，同時(shí)在ECU軟件中增加相應(yīng)的控制策略。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)ECU上電之后，如果檢測(cè)到駐車加熱器處于工作狀態(tài)時(shí)，就不再激活進(jìn)氣預(yù)熱器，直到駐車加熱器加熱結(jié)束開關(guān)關(guān)閉時(shí)，ECU才開始激活進(jìn)氣加熱器。

5.2 冷起動(dòng)優(yōu)化標(biāo)定

經(jīng)過對(duì)電控系統(tǒng)軟件和硬件的改進(jìn)，在此基礎(chǔ)上對(duì)大氣溫度修正加權(quán)系數(shù)R、進(jìn)氣預(yù)熱時(shí)間、起動(dòng)噴油量、起動(dòng)正時(shí)和起動(dòng)軌壓等各項(xiàng)冷起動(dòng)控制參數(shù)重新進(jìn)行了優(yōu)化標(biāo)定[3]，簡(jiǎn)要的冷起動(dòng)標(biāo)定流程如圖6所示。

經(jīng)過優(yōu)化標(biāo)定，得到了加裝駐車加熱器的該型柴油機(jī)時(shí)在不同發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)溫度條件下的起動(dòng)控制參數(shù)的最佳值。

6 改進(jìn)后的柴油機(jī)冷起動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

在表2所列條件下，再次進(jìn)行了該型柴油機(jī)在環(huán)境溫度低于－30℃的極端低溫條件下的冷起動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)可以一次起動(dòng)成功，著火燃燒后轉(zhuǎn)速上升速度很快，并且能平滑過渡到怠速穩(wěn)定運(yùn)行，整個(gè)起動(dòng)過程時(shí)間約在5 s以內(nèi)，如圖7所示。

進(jìn)一步的試驗(yàn)表明，該型柴油機(jī)在－41℃的環(huán)境溫度條件下也實(shí)現(xiàn)了冷起動(dòng)一次成功，且各項(xiàng)冷起動(dòng)性能指標(biāo)良好，與應(yīng)用改進(jìn)技術(shù)方案之前相比，冷起動(dòng)性能得到較大提高。

7 結(jié)束語

通過大量試驗(yàn)和分析，研究了裝駐車加熱器后的某型柴油機(jī)在極端低溫條件下冷起動(dòng)困難的原因，并對(duì)電控系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行了改進(jìn)，重新進(jìn)行了優(yōu)化標(biāo)定。試驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)改進(jìn)方案非常有效地解決了冷起動(dòng)困難問題，使駐車加熱器的工作效能得到了充分的發(fā)揮，提高了該型柴油機(jī)在極端低溫條件下的冷起動(dòng)性能，為某型特種車輛在高寒地區(qū)的環(huán)境適應(yīng)性提供了保障。

1 王云開，于秀敏，梁金廣，等.電控柴油機(jī)冷起動(dòng)過程的控制策略.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（1）：27～31.

2 鐘祥麟，于秀敏，張斌，高繼東，等.高壓共軌柴油機(jī)起動(dòng)過程噴射控制參數(shù)的匹配研究.內(nèi)燃機(jī)工程，2008（8）.

3 張京永，楊福源，歐陽(yáng)明高，等.高壓共軌柴油機(jī)起動(dòng)過程特點(diǎn)與優(yōu)化方法的研究.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2003（3）：201～206.