PTC發熱元件在車輛柴油預熱中的應用

張凌露，高李明

（南京依維柯汽車有限公司，江蘇 南京 210028）

PTC發熱元件在車輛柴油預熱中的應用

張凌露，高李明

（南京依維柯汽車有限公司，江蘇 南京 210028）

PTC柴油預熱系統的應用可以溶解柴油析蠟，改善發動機冷起動性能。PTC發熱元件的選擇和供油系統結構、蓄電池電能消耗有關，是預熱系統設計的關鍵。本文通過某款車設計實例介紹了PTC柴油預熱系統的設計思路。

PTC；析蠟；冷起動；柴油預熱系統

CLC NO.: U464.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)02-73-04

前言

為改善柴油車的冷起動性能，出現了眾多技術手段，比較常見的是柴油機低溫預熱技術的應用，在最低環境溫度高于-25℃的使用區域，提高柴油發動機進氣溫度對改善發動機的低溫起動性能有明顯的作用，所以進氣預熱裝置成為柴油車的標準配置。但低溫條件下柴油析蠟和粘度增大現象會造成柴油流通和霧化變差，也是影響發動機低溫性能的一個重要因素，在采用進氣預熱措施同時需要配合采用合適的柴油預熱措施。PTC（正溫度系數）發熱材料具有獨特的自控溫性能，在柴油預熱中被越來越多采用，但PTC發熱材料的功率選擇、布置和整車供油系統存在較大關聯，在設計手冊和參考文獻中相關的設計指導很少，往往設計工程師無法入手。本文根據某款自主開發車型的設計開發實例，對PTC發熱元件在柴油加熱中的具體應用進行介紹。

1、需要柴油預熱的原因

柴油參數存在冷濾點和冷凝點兩個不同指標，根據國家公布的柴油標準規定，低溫環境使用的柴油冷濾點對應溫度值一般高于冷凝點4-6℃，例如標準規定0號柴油的冷濾點不高于4℃，冷凝點不高于0℃。

柴油中碳氫化合物含有鏈烷烴，當溫度降低到一定程度，會以蠟狀物形式逐漸析出（俗稱析蠟），當析出的蠟晶形成網絡時，會吸附柴油影響流通性。常見故障模式為低溫環境下使用的車輛暖機階段或長時間低速運行時發動機熄火。原因是燃油溫度低于柴油冷濾點后，形成得蠟晶影響柴油的流通性,并且經過一段時間的燃油流動，漂浮在油品中的蠟狀物會吸附在濾網上，逐步堆積堵塞濾網孔，造成供油不暢或中斷，引起車輛車速不穩或熄火。

近年來天氣變化異常天數增加，用戶對最低氣溫判斷的難度也明顯增加，同時有些用戶對柴油冷凝點和冷濾點的區別不清楚，或出于成本考慮會盡量延長高冷凝點的柴油使用時間，如果在環境溫度處于燃油冷凝點附近，由于低于冷濾點出現析蠟導致低速運行時車輛熄火,顯然會引起用戶抱怨.為解決該問題, 車輛生產廠家在采用進氣加熱預熱措施的同時還需要通過適當輔助手段提高燃油溫度或燃油冷凝點,抑制或防止柴油析蠟。其中采用PTC發熱元件的柴油電加熱技術由于具備加裝方便、成本低、控制簡單的特點獲得廣泛推薦。

2、PTC發熱材料主要特點

柴油電加熱技術基本原理是通過消耗電能轉變成熱能加熱柴油，發熱元件常見電熱絲、PTC兩種形式。其中PTC材料具備以下明顯特點：

（1）安全性：PTC材料具備自控溫特殊功能，當PTC元件施加直流電壓升溫時，在未達到居里溫度點時它的電阻率基本保持不變或僅有很小變化，而當溫度超過材料的居里點溫度后，電阻率會迅速增大，使其電流下降達到自動控制溫度的目的。該特殊功能對柴油加熱應用具備明顯的安全優勢。選擇合適的PTC加熱元件，可以保證燃油溫度不會超過沸點，避免了過高溫度下燃油自燃的危險。

（2） 效率高：PTC材料升溫迅速，熱能轉換效率高，可以在較短時間內提高燃油溫度，和冷起動用途的快速柴油加熱要求相吻合。

（3）布置便捷：PTC加熱元件可以制作多種結構和規格，可以容易地安裝在散熱金屬體上或直接安置在油路中，通過合理設計可以和柴油供油系統中的其它部件集成，不影響低壓油路流阻，不改變發動機基本結構、不影響系統柴油過濾精度。

（4）控制電路簡單，維修方便：和電熱絲等材料發熱元件相比省去了復雜的自動控制溫度的線路，系統控制部分結構簡單。

但和其它電加熱元件一樣，PTC發熱元件消耗的是整車電能，在低溫環境下蓄電池能量下降，冗余電量不足，如不正確選擇PTC發熱元件的用電功率，會導致起動前過多消耗蓄電池能量，反而會惡化起動條件。

3、PTC柴油加熱開發實例介紹

3.1 某款柴油輕客供油系統如下圖

柴油供油系統如上圖所示，由油箱、輸油泵、油水分離器（初濾）、主柴濾（精濾）、高壓油泵、共軌管、噴油嘴、輸送油管等部件組成。

燃油循環路徑為：在電動泵的作用下，集成在油量傳感器的回油腔中的柴油通過吸油(輸出)油管輸出，經過兩級過濾到達高壓油泵，在高壓油泵的推送下，進入共軌管中，在發動機未起動時，由于高壓油泵也尚未運行，燃油通過高壓油泵泵體的泄流口回到油箱，而在發動機起動或運行后，共軌管中的燃油一部分被噴油器噴出做功消耗，一部分回流到油箱中的回油腔。回油腔留有小開口和油箱中的柴油相通，保證發動機運行時噴油器消耗的部分得到及時補充。

3.2 PTC發熱元件布置

在PTC發熱元件用于加熱柴油的系統中, 由于PTC發熱材料具有對外絕緣的結構特點,可以方便的放置在油路中直接加熱柴油，常見的布置可以放置在油箱中、管路中和濾清器中，不同地點的布置方式決定的系統的復雜性和維修性高低。考慮到預熱過程加熱的對象主要是供油回路系統內的燃油，而且低溫析蠟影響油路流通性的最主要原因是堵塞濾網，因此發熱元件應該靠近濾網處進行布置。本實例的供油系統共有三處濾網，分別為油量傳感器集成一起的出油管濾網、油水分離器濾網、主柴濾濾網，其中主柴濾和油水分離器濾網網孔相對較密，堵塞的風險較大，在柴油濾清器裝置中集成PTC發熱元件相對其它地方布置容易實現，而且發熱元件靠濾網近，預熱效果好。

濾清器中的PTC加熱元件的布置，是利用濾清器進出油管處的上蓋本體的內腔空間（如圖3所示），將硬幣狀圓形陶瓷發熱元件兩個電極和上下金屬散熱導電片緊密連接（該散熱導電片同時起散熱和導電的作用）。既不影響回路流阻，PTC加熱元件的熱傳遞也直接作用于濾網，迅速加熱低溫時濾網上凝固的油品，起到溶解析蠟、降低油品粘度、提高流通性的目的。

3.3 柴油預熱系統工作流程

柴油預熱系統和格柵進氣預熱系統組合共同構成發動機預熱系統。當接通點火開關，發動機ECU檢測到環境溫度低于5℃,發動機預熱程序開始運行（發動機預熱過程一般按照進氣預熱系統工作流程分為前預熱--等待起動--起動--后預熱等步驟），同步開始工作的柴油預熱流程如下：

和進氣預熱系統同時啟動，在進氣預熱格柵電源接通時，發動機控制系統也向柴油預熱系統的PTC元件、電動泵開始供電，對供油回路中的柴油預熱,并繼續保持通電到柴油溫度達到5℃，停止PTC元件供電，柴油預熱退出運行。

如果在格柵前預熱時間（和環境溫度存在對應關系，最長25秒）后的20秒內(等待點火時段)，ECU未接收到來自點火開關的起動信號，或第一次起動不成功，從用電平衡考慮，斷開PTC和電動泵電源供應，等待第二次預熱啟動。

3.4 PTC發熱元件功率選擇

正確選擇柴油預熱系統需要的PTC元件的功率是該技術運用的關鍵，其功率值的大小取決于希望得到的被加熱柴油的溫升速率和蓄電池電能消耗，具體介紹如下：

根據熱學公式：QPTC+Q回油=Q油品+Q環境

其中 QPTC為PTC發熱元件發出的熱量，Q回油為發動機運行后，吸收了發動機散熱后溫度升高了的回油對供油循環系統加熱的貢獻，Q油品為被加熱柴油吸收的熱量，Q環境為供油系統部件表面向環境散失的熱量。

發動機預熱階段發動機溫升還不高，回油對供油回路的油溫上升貢獻不大，理論推算時不計入這部分熱量增量選擇出的PTC元件功率值對獲得期望的溫升速率更有利，因此簡化熱平衡公式為：

為正確選擇PTC元件參數，首先要確定預熱階段被加熱燃油期望得到的溫升速率，該溫升速率是燃油預熱系統設計的一個重要參數，數值越大決定了選擇的PTC功率越大，容易造成蓄電池虧電，反過來該溫升速率如偏小，預熱效果差，嚴重時甚至會起不到避免車輛熄火的目的。根據對進口對標車型的低溫試驗測量結果，該溫升速率為6℃/分。在實際使用中：

（1）未加裝柴油預熱車輛的售后質量信息顯示，一般故障發生在發動機起動后怠速運行一分鐘以后；

（2）低溫時使用的柴油冷濾點溫度一般比冷凝點高4-6℃，基于保證冷凝點環境溫度附近車輛正常使用的設計輸入前提，由于在發動機起動前燃油預熱系統已經過發動機前預熱、等待起動、起動三個時間段的持續工作，當再持續加熱到發動機起動后一分鐘時，燃油的加熱時間一定超過一分鐘，如果按照溫升率6℃/分推算，被加熱燃油的溫度理論上已上升6℃,越過了冷濾點,可以避免析蠟影響供油的流通性, 因此設定燃油預熱系統的溫升速率為6℃/分，具備合理性，本實例將該數值設定為系統設計的目標值并基于該目標值展開PTC元件的功率計算如下:

預熱過程加熱的柴油和供油回路的結構存在密切關系，本舉例車型的供油系統回油口和出油口都集中在柴油傳感器底部的回油腔,回油腔與油箱相通的開口補充發動機運行過程消耗的油量, 大部分供油系統內燃油在系統管路內循環運行，考慮到預熱階段的前期柴油噴射消耗量遠小于供油循環油路內的總油量, 所以可以近似認為PTC元件通電發出的熱量除了一部份對環境散失，主要用于加熱燃油循環系統(包括濾清器、輸送管路(含共軌管)、油箱內回油腔)內的柴油。

本實例燃油循環系統各部件的有效容積和表面積分別計算結果如下：

油管 油水分離器 主柴濾 回油腔 總計體積（cm3） 245 1000 700 300 2245散熱面積（m2） 0.12 0.05 0.035 0.015 0.22

供油循環系統系統總容積：2245 cm3

取柴油密度850 kg/m3

則可以推算出供油系統柴油總質量m為：

m=850*2245*10-6=1.908 kg

質量為m的柴油溫升t℃的吸熱量公式為: Q油品=cmt

其中c為柴油比熱，由于柴油是一種混合化合物，具體的柴油比熱一般需要通過測定才能知曉，不同產地和工藝的油品比熱數值不盡相同，不同的環境溫度下也需要進行溫度修正，一般數值在一點幾到二點一之間，為兼顧這種差異，在預熱應用方案設計中建議選擇2.1 kj/（kg.℃）按預熱最初階段油溫從冷凝點升高到冷濾點以上為計算時段,選取t=6℃.計算出質量為m的柴油溫度提升6℃的吸熱量:

同時，燃油循環系統部件的表面向環境散失熱量,該散失熱量值與散熱面積、被加熱燃油與環境的溫度差、升溫時間長短有關，計算公式為: Q環境=hTF△t

其中h為對流換熱系數：取h=5w/（m2.℃）

T為供油系統部件總的散熱表面積，本例為0.22 m2

F為油溫相對環境溫度的差值，盡管在加熱的最后時刻油品才可能提高到最終溫度差，但從設計安全性考慮仍以最終值計入，因此按前面假設要求取6℃。

△t為油溫上升6℃的加熱時間，按照目標溫升速率6℃/分的要求，△t是一分鐘。代入公式可以得到：一分鐘內供油系統部件表面散失的熱量為：

Application of PTC Heating Element in Vehicle Pre-heating System

Zhang Linglu, Gao Liming
(Nanjing Iveco Motor Company Ltd, Jiangsu Nanjing 210028)

The PTC diesel preheating system can dissolve vax deposition and improve the engine cold start performance. The choice of PTC heating elements is related to the structure of diesel supply system and the power consumption of battery, taking an essential role in the design of the preheating system. By analyzing the original design of a vehicle, the article introduces the design idea of the PTC diesel preheating system.

PTC；Vax deposition；Cold star；Diesel preheating system.

U464.3

A

1671-7988(2015)02-73-04

張凌露，高級工程師，就職于南京依維柯汽車有限公司產品工程部，從事汽車電子電器設計工作。