電控柴油機進氣預(yù)熱控制方法的研究

劉永春，齊善東，王秋花，賈 敏

（中國重汽集團技術(shù)發(fā)展中心，山東 濟南 250002）

柴油發(fā)動機的低溫起動性能，直接影響柴油機的工作可靠性和整機的工作效率。在低溫條件下，燃油粘度的增加不利于燃油的霧化與燃燒，再加上蓄電池工作能力的降低等各個方面因素的影響，導(dǎo)致發(fā)動機起動變得比較困難。為改善柴油機的低溫起動性能，需增設(shè)進氣預(yù)熱裝置，以達到迅速可靠地起動發(fā)動機和改善發(fā)動機排放的目的。本文針對電控柴油機進氣預(yù)熱的控制方法進行分析和研究，這對于改善柴油車輛的使用性能，滿足國家日益嚴格的排放標(biāo)準要求具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1 進氣預(yù)熱裝置的結(jié)構(gòu)特點

進氣預(yù)熱裝置安裝在進氣歧管處，它是通過電熱絲對進入氣缸內(nèi)的空氣進行加熱，使用鐵鎳鋁合金制成的內(nèi)熱式電阻絲作為發(fā)熱體，電阻絲的外面通過氧化鋁陶瓷絕緣，絕緣體的外面是帶有螺紋的金屬殼體，以使其固定在發(fā)動機的進氣管上。電阻絲的一端通過殼體金屬搭鐵，另一端通過絕緣體引到進氣管的外面。通過對發(fā)熱體的通電控制，從而實現(xiàn)對進入氣缸空氣的預(yù)熱。圖1所示為進氣預(yù)熱裝置及在進氣管處的安裝圖。圖1中所示的進氣預(yù)熱裝置的生產(chǎn)廠家是儀征派迪汽車零部件有限公司，廠家所提供的技術(shù)參數(shù)如下：標(biāo)稱電壓24 V，工作電壓范圍22～32V，額定功率2.4kW，工作溫度可達950～1100℃。

2 進氣預(yù)熱裝置的工作原理

預(yù)熱控制的電路系統(tǒng)框圖見圖2。OUT1是預(yù)熱指示燈的輸出控制引腳，OUT2是預(yù)熱繼電器的輸出控制引腳。該電路系統(tǒng)主要由預(yù)熱器熔斷絲、預(yù)熱指示器、預(yù)熱繼電器、預(yù)熱裝置、控制器MCU和驅(qū)動電路等器件組成，其中控制器MCU、驅(qū)動電路和相關(guān)的診斷電路包含在發(fā)動機控制單元的內(nèi)部，作用是將電能轉(zhuǎn)化為熱能，達到進氣預(yù)熱的目的。圖2中的30電是由蓄電池提供的，在低溫情況下起動發(fā)動機要消耗大量的電，這對蓄電池也提出較高的要求，因此在寒區(qū)運行的車輛可根據(jù)相關(guān)標(biāo)準采用低溫大容量蓄電池，以保證車輛在低溫環(huán)境下的順利起動。

圖2中各器件的相關(guān)參數(shù)如下。預(yù)熱裝置：標(biāo)稱電壓24V，工作電壓范圍22～30V，額定功率2.4kW；預(yù)熱繼電器：標(biāo)稱電壓24V，觸點電流200A，線圈電阻46±2 Ω；預(yù)熱燈：標(biāo)稱電壓24 V，額定功率0.5 W。

當(dāng)發(fā)動機ECU上電后，首先檢測水溫等起動預(yù)熱條件，若起動預(yù)熱條件滿足后進入預(yù)熱狀態(tài)，ECU的OUT2腳輸出低電平將預(yù)熱繼電器接通，加熱器開始加熱，同時輸出預(yù)熱指示燈信號，預(yù)熱指示燈點亮用來提醒駕駛員預(yù)熱器正處于工作狀態(tài)，此時不應(yīng)起動發(fā)動機。加熱時間的長短根據(jù)水溫的高低而標(biāo)定，水溫越低加熱時間越長，一般加熱時間在0～45 s。當(dāng)預(yù)熱指示燈熄滅，表示預(yù)熱結(jié)束，此時可進行發(fā)動機的起動操作。待發(fā)動機起動成功后，為保證起動后的煙度良好，還需要繼續(xù)加熱一段時間，即我們通常所說的后熱。

3 預(yù)熱控制策略

進氣預(yù)熱的控制方法有很多種，不同廠家的發(fā)動機控制單元有各自不同的控制策略。例如博世系統(tǒng)的ECU控制方法：①根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速、蓄電池電壓、起動開關(guān)的狀態(tài)等當(dāng)前的發(fā)動機狀態(tài)判斷預(yù)熱的各個狀態(tài) （Temperature Reading、Pre－Heater、Stand－By with Heating、Stand－By、Cranking with Heating、Cranking、Post Heating、End Heating）；②使用選擇開關(guān)選擇使用最小值邏輯 （進氣溫度、燃油溫度、環(huán)境溫度、機油溫度、冷卻水溫取最小值）還是優(yōu)先級邏輯 （設(shè)置進氣溫度、燃油溫度、環(huán)境溫度、機油溫度、冷卻水溫的優(yōu)先級）來計算參考溫度；③根據(jù)參考溫度來查MAP計算各狀態(tài)的預(yù)熱時間。

我們結(jié)合儀征派迪汽車零部件有限公司的進氣預(yù)熱裝置的結(jié)構(gòu)特點和原理，設(shè)計了一種簡單實用且有效的進氣預(yù)熱的控制方法，圖3給出了詳細的預(yù)熱控制流程圖。流程如下：當(dāng)車輛的鑰匙開關(guān)打到ON檔，發(fā)動機ECU上電，控制單元首先檢測蓄電池的電壓大于標(biāo)定值且發(fā)動機在沒有運轉(zhuǎn)的情況下，讀取發(fā)動機水溫T，然后根據(jù)不同的水溫計算預(yù)熱時間time1，開始計時進行預(yù)熱。若水溫T在T1之上，不需要進行預(yù)熱；若水溫T在T1和T2之間，根據(jù)T1和T2兩點分別對應(yīng)的預(yù)熱時間進行插值確定預(yù)熱時間；若水溫T在T2和T3之間，根據(jù)T2和T3兩點分別對應(yīng)的預(yù)熱時間進行插值確定預(yù)熱時間；若T小于T3，根據(jù)T3點確定預(yù)熱時間。其中T1、T2、T3對應(yīng)的預(yù)熱時間需要多次整車冷起動試驗來進行確定。如需要進行預(yù)熱，控制單元預(yù)熱輸出控制引腳和預(yù)熱燈控制輸出引腳同時輸出，這時預(yù)熱指示燈閃爍，用來提醒駕駛員車輛此時處于預(yù)熱狀態(tài)。預(yù)熱結(jié)束后起動發(fā)動機，這時采集發(fā)動機水溫T、車速v和發(fā)動機轉(zhuǎn)速n，若水溫小于標(biāo)定值、發(fā)動機轉(zhuǎn)速小于標(biāo)定值且車速小于標(biāo)定值時開始進行后熱輸出，當(dāng)一段時間time2后，關(guān)閉預(yù)熱器。圖3中標(biāo)識的標(biāo)定值和T1、T2、T3都是可以進行標(biāo)定的參數(shù)。

4 測試結(jié)果

使用上述控制方法赴寒區(qū)對發(fā)動機進行了冷起動的標(biāo)定和驗證，記錄了起動的波形并采集了發(fā)動機的相關(guān)參數(shù) （圖4），試驗取得了良好的效果。

從圖4可以看出，起動過程很平順，起動時間約在3.9 s（圖4中光標(biāo)1和光標(biāo)2之間的時間間隔t2-t1=3.9 s），并且在起動過程中觀察基本沒有黑煙出現(xiàn)。

目前中國重汽自主開發(fā)的金王子、豪沃和部分A7車型上都采用了本文中介紹的進氣預(yù)熱裝置和相應(yīng)的控制方法，經(jīng)過長期的試驗充分驗證了該控制方法的正確性和有效性。

5 結(jié)束語

只有從根本上深入理解進氣預(yù)熱的控制方法，才能很好地進行發(fā)動機冷起動性能的匹配標(biāo)定工作，并通過多次試驗對標(biāo)定數(shù)據(jù)不斷地進行改進優(yōu)化，才能使發(fā)動機的起動性能達到最佳狀態(tài)，以確保發(fā)動機在低溫條件下平順快速地起動。