E100乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)電加熱噴油器冷啟動(dòng)控制策略

胡俊 勇李杰 王先瑞 楊越

（安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心）

目前環(huán)境污染越來(lái)越嚴(yán)重，排放法規(guī)日趨嚴(yán)格，汽車(chē)行業(yè)都在積極尋找新的替代燃料，乙醇具有很好的再生性，在汽車(chē)行業(yè)內(nèi)形成了巨大的乙醇燃料車(chē)市場(chǎng)[1]。當(dāng)前汽車(chē)行業(yè)內(nèi)普遍使用的乙醇汽油燃料中，乙醇的混合比例為E0～E85（乙醇體積占比0～85%）。隨著醇摻合率的增加，E85～E100乙醇燃料相對(duì)于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，其汽化潛熱增大[2]，特別是在低溫下更難以揮發(fā)[3]。又由于在低溫啟動(dòng)過(guò)程中，會(huì)降低進(jìn)氣道與缸內(nèi)溫度，因此會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)困難[4-5]。因此文章將基于電加熱噴油器對(duì)提高E100乙醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)性能進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)。

1 電加熱噴油器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

1.1 電加熱噴油器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)的技術(shù)重點(diǎn)是基于德?tīng)柛９厩岸瞬考訜嵝偷?.5HT MultecR多口燃油噴射技術(shù)的噴油器。噴油器前端部的設(shè)計(jì)采用了厚膜電阻，電阻包裹在噴射機(jī)構(gòu)外面，如圖1所示。在E100乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)階段，噴油器加熱電阻通電，加熱電阻對(duì)流過(guò)噴油器的燃料進(jìn)行對(duì)流加熱，E100乙醇燃料被加熱后噴射入進(jìn)氣歧管，高溫乙醇揮發(fā)性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)。

圖1 電加熱噴油器結(jié)構(gòu)圖

1.2 電加熱噴油器系統(tǒng)工作原理

電加熱噴油器系統(tǒng)工作原理圖，如圖2所示。

圖2 電加熱噴油器系統(tǒng)工作原理圖

脈沖寬度調(diào)制（PWM）加熱模塊接收發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECU）的PWM信號(hào)，用于控制噴油器電阻中的電流大小，從而控制噴油器燃油加熱溫度；加熱控制繼電器用于對(duì)加熱線(xiàn)路進(jìn)行短路保護(hù)，當(dāng)噴油器與電池正極短路時(shí)，繼電器可以通過(guò)切斷與地之間的線(xiàn)路連接，從而保護(hù)噴油器；智能發(fā)電機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中通過(guò)ECU關(guān)閉發(fā)電機(jī)的發(fā)電功能，減小發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩?fù)p耗，縮短冷啟動(dòng)時(shí)間；儀表增加預(yù)熱指示燈，根據(jù)E100乙醇電加熱噴油器的預(yù)熱邏輯，啟動(dòng)前對(duì)噴油器進(jìn)行短時(shí)間預(yù)熱，預(yù)熱時(shí)提醒駕駛員預(yù)熱過(guò)程中，不可啟動(dòng)汽車(chē)；啟動(dòng)機(jī)接入ECU，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)功能受ECU控制，在噴油器預(yù)熱完畢后才允許啟動(dòng)汽車(chē)；燃油液位傳感器信號(hào)接入ECU，ECU根據(jù)燃油液位的消耗量以及空燃比判斷乙醇汽油中的乙醇比例，根據(jù)不同的乙醇比例，采用不同的加熱時(shí)間保證冷啟動(dòng)性能。

ECU向PWM模塊發(fā)送PWM信號(hào)，通過(guò)控制不同的脈沖寬度和時(shí)間，控制流經(jīng)電加熱噴油器的電流來(lái)控制加熱溫度；同時(shí)ECU可以根據(jù)PWM模塊的電壓反饋信號(hào)得到流經(jīng)負(fù)載的電流，根據(jù)此信號(hào)可對(duì)加熱回路進(jìn)行閉環(huán)控制，以此控制噴油器的加熱溫度。

2 電加熱噴油器控制電路

文章以某1.5 L E100乙醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，通過(guò)優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電加熱器的加熱、通斷及線(xiàn)路保護(hù)等功能。圖3示出E100乙醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)電加熱噴油器電路圖。

圖3 E100乙醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)電加熱噴油器電路圖

3 電加熱噴油器冷啟動(dòng)控制策略

該系統(tǒng)需要在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)前對(duì)電加熱噴油器進(jìn)行加熱，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)良好的冷啟動(dòng)性能，或是在發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行加熱以縮短啟動(dòng)時(shí)間。在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中需要根據(jù)不同的啟動(dòng)階段準(zhǔn)備控制電加熱噴油器的加熱溫度，保證E100乙醇燃料的溫度可以滿(mǎn)足冷啟動(dòng)要求，并盡可能地縮短啟動(dòng)時(shí)間。

3.1 電加熱噴油器加熱溫度計(jì)算

近似認(rèn)為噴油器電阻估算溫度與噴油器溫度相等，可以通過(guò)以下公式計(jì)算出當(dāng)前噴油器溫度。

式中：UHeater——電加熱噴油器電壓，V；

U——線(xiàn)路總電壓，V；

UWire——導(dǎo)線(xiàn)電壓，V；

RHeater——電加熱噴油器電阻，Ω；

I——線(xiàn)路總電流，A；

T，T0——噴油器電阻估算溫度、額定溫度，℃；

R0——在額定溫度（T0）下的額定電阻，Ω；

R——根據(jù)分壓計(jì)算的電阻，Ω；

α——導(dǎo)體的電阻系數(shù)。

3.2 電加熱噴油器冷啟動(dòng)加熱過(guò)程分析

由于噴油器與燃料熱交換需要一定的時(shí)間，因此加熱型噴油器在冷啟動(dòng)階段，首先要對(duì)噴油器進(jìn)行預(yù)加熱，這樣在啟動(dòng)過(guò)程中，可以保證噴射出高溫乙醇，從而縮短啟動(dòng)時(shí)間。

階段1：ECU根據(jù)水溫向PWM模塊輸出100%占空比，使得電加熱噴油器進(jìn)入全功率加熱狀態(tài)，此時(shí)噴油器加熱膜溫度迅速升高。

階段2：ECU通過(guò)反饋電壓采用PID調(diào)整脈寬占空比進(jìn)入電加熱噴油器溫度閉環(huán)控制階段，保持電加熱噴油器在設(shè)定的溫度點(diǎn)。此過(guò)程中，熱量從電加熱噴油器傳遞到噴油器中的乙醇燃料，完成大量熱交換，在噴油器中的乙醇燃料溫度逐漸升高，并逐漸接近目標(biāo)溫度設(shè)定值。

階段3：ECU通過(guò)降低脈寬占空比，降低噴油器的溫度向乙醇燃料溫度目標(biāo)設(shè)定值靠近，使得乙醇燃料散熱與電加熱噴油器加熱之間的熱交換達(dá)到熱平衡點(diǎn)。

階段4：乙醇燃料溫度達(dá)到熱平衡點(diǎn)后，系統(tǒng)進(jìn)入燃油溫度保持階段，等待發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。此時(shí)ECU通過(guò)較小的脈寬占空比維持乙醇燃料的溫度。

階段5：當(dāng)啟動(dòng)機(jī)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，乙醇燃料從噴油器噴入氣道內(nèi)，并帶走一部分熱量，隨后進(jìn)入噴油器內(nèi)的乙醇燃料溫度下降，此時(shí)ECU向PWM模塊輸出100%占空比信號(hào)，全功率加熱流經(jīng)噴油器的乙醇燃料，提高乙醇燃料溫度，從而提高冷啟動(dòng)性能。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)成功后，ECU降低向PWM模塊輸出的占空比，進(jìn)入怠速模式。

3.3 控制策略邏輯

實(shí)現(xiàn)電加熱噴油器的控制策略邏輯，需要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫進(jìn)行判斷，控制策略流程，如圖4所示。

圖4 電加熱噴油器控制策略流程圖

4 實(shí)車(chē)測(cè)試

根據(jù)文章提出的控制電路與控制策略，對(duì)該1.5 L E100乙醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)策略進(jìn)行應(yīng)用與優(yōu)化，設(shè)計(jì)驗(yàn)證方案，驗(yàn)證實(shí)際的E100乙醇燃料冷啟動(dòng)效果。

為確保汽車(chē)在水溫為-5℃及以上溫度點(diǎn)一次啟動(dòng)成功，啟動(dòng)時(shí)間滿(mǎn)足開(kāi)發(fā)目標(biāo)，分別測(cè)試-5，0，5，10，15℃發(fā)動(dòng)機(jī)水溫下的冷啟動(dòng)時(shí)間。將汽車(chē)裝上熱電偶、線(xiàn)氧及ES410等開(kāi)發(fā)工具，放入冷庫(kù)進(jìn)行冷啟動(dòng)標(biāo)定。試驗(yàn)結(jié)果，如圖5所示。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)不同溫度下冷啟動(dòng)驗(yàn)證結(jié)果

試驗(yàn)車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)在水溫 -5，0，5，10，15 ℃及以上溫度點(diǎn)一次啟動(dòng)成功，啟動(dòng)時(shí)間分別為2.3，1.9，1.8，1.5，1.2 s，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)溫度的上升，冷啟動(dòng)時(shí)間逐漸縮短，冷啟動(dòng)性能得到了明顯的改善。

5 結(jié)論

文章考察了不同溫度下電加熱噴油器系統(tǒng)的冷啟動(dòng)性能。從試驗(yàn)結(jié)果可看出，隨著溫度升高，預(yù)熱時(shí)間縮短，冷啟動(dòng)時(shí)間縮短；試驗(yàn)中隨著溫度上升，PWM加熱占空比有所下降，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速趨于穩(wěn)定。5℃以上的溫度已接近汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的水平。在排放日益嚴(yán)格的大趨勢(shì)下，可替代燃料必將是未來(lái)研究與發(fā)展的方向。該技術(shù)方案對(duì)于乙醇燃料的推廣有著較重要的價(jià)值。