電控柴油機進氣預熱控制方法的研究

劉永春，齊善東，王秋花，賈 敏

（中國重汽集團技術發展中心，山東 濟南 250002）

柴油發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，導致發動機起動變得比較困難。為改善柴油機的低溫起動性能，需增設進氣預熱裝置，以達到迅速可靠地起動發動機和改善發動機排放的目的。本文針對電控柴油機進氣預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準要求具有非常重要的現實意義。

1 進氣預熱裝置的結構特點

進氣預熱裝置安裝在進氣歧管處，它是通過電熱絲對進入氣缸內的空氣進行加熱，使用鐵鎳鋁合金制成的內熱式電阻絲作為發熱體，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。通過對發熱體的通電控制，從而實現對進入氣缸空氣的預熱。圖1所示為進氣預熱裝置及在進氣管處的安裝圖。圖1中所示的進氣預熱裝置的生產廠家是儀征派迪汽車零部件有限公司，廠家所提供的技術參數如下：標稱電壓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 進氣預熱裝置的工作原理

預熱控制的電路系統框圖見圖2。OUT1是預熱指示燈的輸出控制引腳，OUT2是預熱繼電器的輸出控制引腳。該電路系統主要由預熱器熔斷絲、預熱指示器、預熱繼電器、預熱裝置、控制器MCU和驅動電路等器件組成，其中控制器MCU、驅動電路和相關的診斷電路包含在發動機控制單元的內部，作用是將電能轉化為熱能，達到進氣預熱的目的。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，因此在寒區運行的車輛可根據相關標準采用低溫大容量蓄電池，以保證車輛在低溫環境下的順利起動。

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

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

3 預熱控制策略

進氣預熱的控制方法有很多種，不同廠家的發動機控制單元有各自不同的控制策略。例如博世系統的ECU控制方法：①根據發動機轉速、蓄電池電壓、起動開關的狀態等當前的發動機狀態判斷預熱的各個狀態 （Temperature Reading、Pre－Heater、Stand－By with Heating、Stand－By、Cranking with Heating、Cranking、Post Heating、End Heating）；②使用選擇開關選擇使用最小值邏輯 （進氣溫度、燃油溫度、環境溫度、機油溫度、冷卻水溫取最小值）還是優先級邏輯 （設置進氣溫度、燃油溫度、環境溫度、機油溫度、冷卻水溫的優先級）來計算參考溫度；③根據參考溫度來查MAP計算各狀態的預熱時間。

我們結合儀征派迪汽車零部件有限公司的進氣預熱裝置的結構特點和原理，設計了一種簡單實用且有效的進氣預熱的控制方法，圖3給出了詳細的預熱控制流程圖。流程如下：當車輛的鑰匙開關打到ON檔，發動機ECU上電，控制單元首先檢測蓄電池的電壓大于標定值且發動機在沒有運轉的情況下，讀取發動機水溫T，然后根據不同的水溫計算預熱時間time1，開始計時進行預熱。若水溫T在T1之上，不需要進行預熱；若水溫T在T1和T2之間，根據T1和T2兩點分別對應的預熱時間進行插值確定預熱時間；若水溫T在T2和T3之間，根據T2和T3兩點分別對應的預熱時間進行插值確定預熱時間；若T小于T3，根據T3點確定預熱時間。其中T1、T2、T3對應的預熱時間需要多次整車冷起動試驗來進行確定。如需要進行預熱，控制單元預熱輸出控制引腳和預熱燈控制輸出引腳同時輸出，這時預熱指示燈閃爍，用來提醒駕駛員車輛此時處于預熱狀態。預熱結束后起動發動機，這時采集發動機水溫T、車速v和發動機轉速n，若水溫小于標定值、發動機轉速小于標定值且車速小于標定值時開始進行后熱輸出，當一段時間time2后，關閉預熱器。圖3中標識的標定值和T1、T2、T3都是可以進行標定的參數。

4 測試結果

使用上述控制方法赴寒區對發動機進行了冷起動的標定和驗證，記錄了起動的波形并采集了發動機的相關參數 （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1和光標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。

目前中國重汽自主開發的金王子、豪沃和部分A7車型上都采用了本文中介紹的進氣預熱裝置和相應的控制方法，經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 結束語

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