某重型商用車冷起動試驗

楊　坤,董秀輝,王　杰,唐玉強,武　哲

(1.山東理工大學 交通與車輛工程學院，山東 淄博 255049；2.中國第一汽車股份有限公司 技術中心，吉林 長春 130011；3.一汽解放青島汽車有限公司，山東 青島 266043)

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某重型商用車冷起動試驗

楊坤1,董秀輝2,王杰1,唐玉強3,武哲1

(1.山東理工大學 交通與車輛工程學院，山東 淄博 255049；2.中國第一汽車股份有限公司 技術中心，吉林 長春 130011；3.一汽解放青島汽車有限公司，山東 青島 266043)

針對某重型商用車冷起動試驗數據采集不同步、試驗效率低、后續數據分析困難且不宜保存的技術現狀，提出了商用車冷起動試驗數據采集分析系統方案，搭建了整車冷起動測試平臺。并以該平臺為基礎，針對某重型商用車冷起動過程中存在的-35 ℃左右起動困難，低溫起動過程中油耗及排放過高的問題，開展了-25～-35 ℃的冷起動試驗。采集了多個溫度下的冷起動試驗數據，并基于試驗結果，以溫度為門限，通過對燃油加熱器的控制，優化了目標商用車冷起動控制策略。通過為期1年的用戶實驗，驗證了優化策略的有效性以及該數據采集系統的實用性。

重型商用車；冷起動；數據采集分析；整車試驗

0　引言

冷起動性能是重型商用車的一個重要指標[1-3]。重型商用車的工作區域跨度非常大，如果不進行專項冷起動匹配試驗，將會嚴重影響其在中國北方地區冬季(-20 ℃以下環境)的使用[3-5]。發動機的冷起動特性對整車可靠性的影響非常大，在-18 ℃條件下，強行起動1次，發動機氣缸的磨損量相當于車輛行駛200 km左右的磨損量[6]。而且，車用發動機的排放法規越來越嚴苛[7]，排放測試表明：大部分碳氫化合物、一氧化碳及顆粒物都是在冷起動過程中產生的[8-11]。

本文研究對象為某配置8.6 L發動機、直驅起動機、法蘭式空氣預熱系統和燃油加熱器的重型商用車，其整車冷起動系統滿足相關企業標準。但根據用戶反饋，該重型商用車在-35 ℃左右起動困難，存在低溫起動油耗過高的現象。同時，企業市場部門反饋該類型的商用車市場競爭激烈，對整車成本十分敏感。因此，必須在兼顧成本要求的前提下解決整車冷起動問題。目前，中國整車廠冷起動試驗存在如下問題：主要通過主觀試驗驗證冷起動是否成功，且無統一的標準；相關總成特性數據采集不同步，試驗效率低，后續分析困難且不宜保存，因而數據積累困難且很難對冷起動系統開展精細設計。因此，本文開發了一套針對商用車冷起動試驗的數據采集分析系統，并進行了試驗，基于試驗結果，以溫度為門限，通過對燃油加熱器的控制，優化了目標車型冷起動策略，驗證了該平臺的實用性。

1　整車冷起動檢測系統原理

本文提出的整車冷起動檢測系統包括數據采集、軟硬件濾波、數據處理和結果輸出4個部分。其中，軟硬件濾波部分和結果輸出部分均采用了現有成熟技術[12-14]，因此，本文重點介紹數據采集部分和數據處理部分。

1.1數據采集

根據汽車起動系統的工作原理[15-16]，本文設計了如下數據采集系統：

(Ⅰ)蓄電池正負極電勢，主要用于考核蓄電池電壓降，再結合電流，即可核算出蓄電池內阻，從而綜合判斷蓄電池性能能否滿足整車冷起動需求，并得到蓄電池低溫阻抗特性。

(Ⅲ)總電流，用于判斷起動系統電氣線路的匹配是否合理。

(Ⅳ)發動機轉速，用于判斷起動是否成功，同時結合發動機特性可得到發動機起動阻力，從而為起動系統精細設計提供數據基礎。雖然發動機轉速可以通過控制器局域網(controller area network,CAN)總線由發動機電子控制單元(electronic control unit，ECU)獲得，但通過前期試驗發現，如何實現發動機轉速與其他信號的同步成為關鍵。

1.2數據處理

由發動機起動系統的工作原理及相關電氣特性可知：發動機與起動機之間通過齒輪連接，起動機的電壓波動頻率與發動機轉速呈比例關系。因此，通過起動機電壓波動頻率即可計算得到發動機轉速，兩者之間存在如下關系[17-19]：

(1)

其中：ne為發動機轉速，r/min；f為起動機的電壓波動頻率，Hz；i為發動機缸數,i=6。

為了保證計算的準確性，本文選取n個采樣點，蓄電池的內阻RBATT計算方法為：

(2)其中：U為開路狀態下蓄電池正極電勢，V，為保證計算準確性，取短時間小電流放電后的讀數；UBATTi為蓄電池正極電勢在第i采樣點的數值，V；Ii為蓄電池輸出電流在第i采樣點的數值，A。其他變量含義同上。

起動系統線路電阻的計算方法如下：

RST+=(UBATT-USTB+)/I ；

(3)

(4)

(5)

(6)

其中：RST+為起動機電源線電阻，Ω；UBATT為有電流輸出時蓄電池的正極電勢，V；USTB+為起動機正極接線端的電勢，V；I為蓄電池輸出電流，A；UBATTi為蓄電池正極電勢在第i采樣點的數值，V；USTB+i為起動機正極接線端電勢在第i采樣點的數值，V；Ii為蓄電池輸出電流在第i采樣點的數值，A；RST-為起動機搭鐵線線路電阻，Ω；USTB-為起動機搭鐵點電勢，V；USTB-i為起動機搭鐵點的電勢在第i采樣點的數值，V。

表1　起動過程采集數據表

起動系統的線路電阻理論上可由式(3)和式(5)計算得到，但為了保證計算準確性，本文選取n個采樣點，由式(4)和式(6)計算得到。表1為起動過程采集數據表。以-25 ℃冷起動試驗結果為例，由萬用表測量UBATT=24.1 V，再截取n個采樣點(見表1)，由式(4)和式(6)可計算出：RBATT=10.442 mΩ；RST+=1.460 mΩ；RST-=0.532 mΩ，相關數據與萬用表測量值基本一致，從而驗證了本文數據處理方法的實用性。

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2　整車冷起動試驗

2.1整車冷起動試驗平臺搭建

圖1　整車冷起動檢測平臺接線原理圖

根據上文提出的整車冷起動檢測系統原理，設計開發了相應的數據采集及處理設備，搭建了整車冷起動檢測平臺，其接線原理如圖1所示。該系統以蓄電池負極接線柱為測試基準點，分別對蓄電池正極接線柱電勢、起動機正極接線端電勢和起動機搭鐵點電勢進行采集，同時采集總電流。系統設有8路信號采集通道，通道1為蓄電池正極電勢，通道2為起動機正極接線端電勢，通道3為起動機搭鐵點電勢，通道4為總電流。

2.2-25 ℃冷起動試驗

為了保證整車溫度達到-25 ℃，將環境溫度設為-26 ℃，整車在環境倉中放置時間不小于8 h。蓄電池滿電，進氣預熱50 s，穩態預熱電流80 A。預熱停止后，起動發動機，起動機拖動發動機運轉約2 s后發動機起動成功。起動過程中燃油加熱器不工作。該項試驗連續進行6次，每次時間間隔大于8 h，其中某次起動試驗的結果如圖2所示。

2.3-30 ℃冷起動試驗

為了保證整車溫度達到-30 ℃，將環境溫度設為-31 ℃，整車在環境倉中放置時間不小于8 h。蓄電池滿電，進氣預熱50 s，穩態預熱電流80 A。預熱停止后，起動發動機，試驗結果顯示無法起動發動機。該項試驗連續進行6次，每次時間間隔大于8 h，均無法起動發動機。其中某次起動試驗的結果如圖3所示，由圖3可知起動機未能克服發動機阻力。

圖2 -25℃發動機冷起動試驗結果 圖3 -30℃發動機冷起動試驗結果1

在上述試驗的基礎上，打開燃油加熱器對循環水進行預熱，預熱時間為30 min，其他試驗設置均不變，起動機拖動發動機運轉約7 s后發動機起動成功。連續進行6次，每次時間間隔大于8 h，每次均能起動發動機，其中某次起動試驗的結果如圖4所示。

2.4-35 ℃冷起動試驗

為了保證整車溫度達到-35 ℃，將環境溫度設為-36 ℃，整車在環境倉中放置時間不小于8 h。蓄電池滿電，打開燃油加熱器對循環水進行預熱，預熱時間為30 min，進氣預熱50 s，穩態預熱電流80 A，預熱停止后，起動發動機，試驗結果顯示無法起動發動機。該項試驗連續進行6次，每次時間間隔大于8 h，均無法起動發動機。

為了解決該問題，同時兼顧整車成本，本文對燃油加熱系統進行了改進，通過燃油加熱器的尾氣對油底殼進行預熱，以減小發動機起動阻力[20]。連續進行6次試驗，每次時間間隔大于8 h，均能起動發動機，其中某次起動試驗的結果如圖5所示。

圖4-30 ℃發動機冷起動試驗結果2圖5-35 ℃發動機冷起動試驗結果

基于上述試驗結果，本文繼續開展了-26 ℃冷起動試驗，發現該溫度下也必須打開燃油加熱器，這為目標車型冷起動系統的精細設計奠定了基礎?；谠囼灲Y果，以溫度為門限，通過對燃油加熱器的控制，優化了目標車型冷起動控制策略：-25 ℃以上，關閉燃油加熱器；-25 ℃以下，打開燃油加熱器。該策略兼顧了整車廠對排放、成本及整車冷起動能力的需求，具體體現在3個方面：-25 ℃以上不再開啟燃油加熱器，從而可降低冷起動過程中的油耗和排放；在部分使用溫度高于-25 ℃的地區，可以取消燃油加熱器，從而可降低整車成本，增加產品競爭力；滿足了-35 ℃環境的整車冷起動能力。通過中國東北地區6個客戶為期1年的用戶試驗，驗證了優化策略的有效性，從而驗證了該數據采集系統的實用性。

3　結論

(1)冷起動試驗的數據采集分析系統，能夠滿足整車冷起動試驗的數據采集需求，提高了整車冷起動試驗的效率。

(2)冷起動試驗的數據采集分析系統解決了冷起動過程中數據采集不同步的問題，為冷起動系統研究的數據積累及精細設計奠定了基礎。

(3)基于冷起動試驗結果，對目標車型冷起動控制策略進行了優化，可滿足整車廠對排放、成本及整車冷起動能力的需求，并通過了為期1年的用戶試驗驗證。經過該系統測試冷起動性能合格的車輛，能夠完全滿足中國北方冬季的冷起動要求，驗證了冷起動試驗數據采集系統的可用性。

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國家自然科學基金項目(51508315,51575325);山東省自然科學基金項目(ZR2015PE020);山東省重點研發計劃基金項目(2015GGX105099)

楊坤(1981-),男,山東淄博人,副教授,博士,主要研究方向為汽車電子電控及新能源汽車關鍵技術.

2016-04-05

1672-6871(2016)06-0028-05

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.06.006

U464

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