一種發動機預熱塞試驗臺的設計與應用

曹文霞， 汪明磊

(安徽水利水電職業技術學院，安徽 合肥 231603)

預熱塞是輔助加熱器，是柴油機進氣加熱系統中的一個重要配件。預熱塞的品質直接影響柴油機的低溫起動性能，而目前行業內尚無對預熱塞性能和可靠性進行測試的專用裝置，一般根據產品的開發流程和工藝特點，設計、制作非標準化的試驗臺進行有針對性的參數監控和耐久性評價。因此需建立一套預熱塞試驗臺，通過監測預熱塞關鍵參數，以及往復加熱循環的耐久性試驗來評判預熱塞的品質。

1 預熱塞試驗臺的現狀分析

1.1 現狀分析

目前國內外汽車行業對其所涉及多種產品的標準化要求越來越高，主要目的在于要提升對產品的質量控制。預熱塞是汽車發動機的重要的電控部件，其主要功效是在規定的時間內完成對進入發動機燃燒室內的空氣進行預熱。為了達到嚴格的質量監控標準，在產品開發階段和產品上市之后，應階段性對其進行考核、鑒定和篩選，看其能否滿足產品的設計要求和一般性耐久性要求。針對預熱塞的潛在失效模式，結合市場常見的故障模式，在產品研發階段及量產一致性控制中，主要考核預熱塞的溫升特性、持續加熱性能以及相應的可靠性要求。

1.2 預熱塞試驗臺的設計與制作需求

文[1]和文[2]規定的試驗規范，設計預熱塞性能與耐久試驗測試臺，通過上位機軟件控制通電時間(占空比)和試驗循環次數，利用前臺控制器和后臺軟件控制按鈕，實現試驗開始、暫停、繼續和停止的人工控制。測量過程中，軟件界面要顯示GCU診斷信號、預熱塞加熱電壓和多路(4～6)加熱電流、試驗循環次數。預熱塞加熱電流出現異常時，需通過指示燈閃爍報警提示。同時，需通過冷卻實現預熱塞的安全工作，防止預熱塞及GCU溫度過高而損壞，從而實現以上標準規定的試驗項目數據的采集與檢測。

2 預熱塞試驗臺的設計與制作方案

2.1 預熱塞的結構

預熱塞的結構如圖1所示。

圖1 常見發動機預熱塞的結構組成

2.2 預熱塞試驗臺的設計與試驗

(1)試驗臺。由臺體與機柜、電源系統、預熱塞控制單元(GCU)、前臺控制器、后臺管理系統和輔助裝置(預熱塞固定裝置、冷卻系統)構成，其中， 電源系統由啟動電源、兩組蓄電池、必要的電纜和連接件構成，用于GCU、前臺控制器、電流變送器和電壓變送器供電。 預熱塞控制單元(GCU)用于預熱塞的驅動并反饋診斷信號。 前臺控制器用于測量試驗中的各種參數，產生GCU所需的控制信號，通過串行通信接口與后臺管理系統交換信息，上傳數據并接收上位機的指令。 后臺管理系統由工控機和管理軟件組成，實現試驗過程的控制，以數據和圖形方式顯示測量參數，實現參數設定和發送控制指令，并實現數據管理。 臺體用于放置預熱塞固定裝置和GCU。⑥機柜用于布置前臺控制器、上位機系統和開關、指示燈。⑦冷卻系統由電動冷卻風扇和控制繼電器組成，用于冷卻預熱塞和GCU。其系統原理如圖2所示，試驗臺布置圖如圖3所示。控制系統由后臺設置預熱時間、預熱周期、試驗循環次數，前臺控制器生成控制信號發送給GCU，時間繼電器吸合后，用汽車起動電源和蓄電池并聯成的加熱電源激活電熱塞。預熱時間控制繼電器則通過DI線把包括預熱塞自診斷數據在內的信息發送給前臺控制器，并且把預熱塞診斷結果和工作狀態傳輸到控制臺，然后發送到后臺管理系統顯示出來。由并聯在蓄電池上的電壓變送器測得的電壓、穿過連接每個預熱塞的線路的霍爾電流傳感器測得的電流、溫度傳感器測得的溫度，這3個信號都由控制器采集并發送到后臺顯示出來，便于監測試驗實時狀態。另控制器采集的溫度信號可用來判斷是否需要進行冷卻，然后由控制器向繼電器發送信號，根據需要開閉冷卻風扇(亦可支持手動開啟冷卻風扇)。

圖2 預熱塞試驗臺系統原理圖

圖3 預熱塞試驗臺布置圖

(2)按照發動機產品設計方案。將預熱塞、缸蓋等部件裝配好，接入試驗臺架中，進行性能試驗一般設置加熱時長為60s，進行溫升特性曲線采集，記錄加熱時間、電流、預熱塞表面溫度等參數。 可靠性試驗是按照產品設計要求進行可靠性試驗的邊界設定(加熱時間和試驗循環次數)，然后進行試驗評價。一般在產品通過可靠性試驗后，繼續做耐久性評價。當耐久試驗超過可靠性要求的1.5倍后可選擇終止耐久性試驗。

3 應用效果舉例

本文提到的方案應用到某1直列4缸發動機金屬預熱塞進行試驗驗證，所測得預熱塞溫升特性曲線如圖4所示。

圖4 某型發動機預熱塞溫升特性曲線

由圖4可知,發動機預熱塞試驗臺可以對預熱塞試驗過程中的試驗時間、電壓、電流溫度等進行監控，滿足預熱塞試驗的需求。在此基礎上就能夠改善柴油機的低溫起動性能和降低冷啟動過程中的排放，特別是解決寒冷地區發動機低溫啟動困難的問題。

4 結 論

本文針對發動機試驗過程中預熱塞試驗需求，提出了1套能夠滿足該需求的試驗臺，并對試驗臺的設計方案、基本原理以及實施效果等進行了介紹。本文提出的預熱塞試驗臺可在試驗過程根據參數設定開展試驗，利用控制軟件完成對參數的監控和顯示，記錄試驗進程，自動檢測運行情況，在異常時可發出警報，對試驗數據進行記錄、存儲，實現對預熱塞的試驗。

[參 考 文 獻]

[1] QC/T413，汽車電氣設備基本技術條件[S].

[2] GB/T2423.17，電工電子產品基本環境試驗規程[S].

[3] 陳家瑞.汽車構造(第5版)(上冊)[M]. 北京:人民交通出版社，2010.

[4] 從孟營.電控柴油機低溫起動性能關鍵影響因素研究[D]，天津大學，2015.

[5] 岳魏強，王朔，劉炳均，等.高原高寒地域中重型車輛進氣預熱起動輔助裝置研究[J].裝備環境工程，2017，(10):41-46.