一種輕型柴油車滿足預熱等待后起動控制方法

摘 要：為改善搭載直接發送起動請求的被動進入與被動啟動（Passive Entry Passive Start， PEPS）系統的柴油車的冷起動性能，以某款2.5L輕型柴油汽車為研究對象，通過對比直接起動和滿足預熱等待后起動兩種起動方法，選取不同試驗地點進行冷起動驗證。結果表明，車輛在高原和低溫環境下直接起動方法未能成功起動，而滿足預熱等待后起動方法能正常起動；車輛在平原常溫環境下滿足預熱等待后起動方法比直接起動方法起動時間更短。

關鍵詞：輕型柴油車 低溫 PEPS 預熱等待 起動控制

0 引言

柴油機因良好的經濟性、較高的熱效率、低速大扭矩等優點而廣泛應用于輕型皮卡當中。眾所周知，柴油車在低溫環境下起動性能差，這主要因素既有進氣溫度低、起動轉速低、蓄電池性能下降等外界條件，又有起動沒有預熱導致燃油霧化不良、起動轉速低、噴油量循環變動等自身條件[1]。環境因素和控制參數對柴油機啟動過程的影響程度高于發動機的設計參數[2]，且相比于采用進氣加熱或增壓大壓縮比和節氣門開度，采用預熱塞預熱能明顯提高柴油機冷起動性能[3]。為此，將預熱塞的工作模式細分前預熱、暫停預熱、強化預熱、起動預熱等多個狀態以保證柴油機能夠滿足啟動[4]。

隨著國內皮卡市場的發展，提升用戶體驗的相關電子配置也越來越多，其中被動進入與被動啟動（Passive Entry Passive Start， PEPS）系統因提升了用戶在車輛進入及車輛啟動的操縱便利性也成了了許多車型的標配。目前車型搭載的PEPS系統主要有五種起動方式，分別主動預熱、智能判斷預熱狀態、直接起動請求、組合預熱和智能判斷和緊急起動。針對第三種起動方式，研究開發滿足預熱等待后起動控制方法，使ECU根據當前的發動機狀態和車輛設置來決定是否允許起動，對于提高柴油車冷機起動性能具有重要意義。

1 試驗車輛介紹

1.1 試驗車輛

用于試驗的柴油車配備一臺排量2.5升，額定功率110kW的柴油發動機。后處理系統包括柴油氧化催化劑（DOC）、選擇性催化還原（SCR）和SCR催化劑包覆的柴油顆粒過濾器（SDPF）。更換車輛規格的詳細信息見表1所示。

1.2 控制方法介紹

柴油車的冷機起動過程示意由圖1所示。由圖1可看出，柴油機在冷機起動過程中預熱塞工作狀態有發動機停機激活狀態（256）、識別水溫信號狀態（0）、前預熱狀態（16）、強化預熱狀態（48）、暫停預熱（80）、開始預熱狀態（112）和后預熱狀態（176）。預熱塞溫度能夠在通電時間的2秒以內達到1000-1200℃。

由于PEPS系統為直接起動請求的起動方式是預熱塞不經過前預熱狀態而直接起動，因此本文通過修改軟件邏輯并且進行合理化標定，使得搭載此PEPS系統車輛在滿足預熱等待后才進行起動。具體控制邏輯介紹如圖2所示。實際控制策略實現過程是：首先將待機狀態到啟動預熱狀態的時間與前預熱時間標定成一致，使得只有當剩余前預熱時間為零時前預熱狀態則結束；其次將最大等待時間標定得比待機狀態到啟動預熱狀態的時間略大些；最后再設置一個合適的起動機接合時的發動機轉速閾值。通過以上三步可確保發動機在低溫情況下只有完成前預熱狀態后起動機才能正常被激活。

1.3 試驗方案

試驗目的是對比直接起動和滿足預熱等待后起動兩種起動方法的起動表現，因此本次試驗方案見表2。其中，盡量將對比的數據的外部邊界參數控制較為一致，即環境壓力、水溫等邊界控制在相同的范圍內。

2 試驗結果及分析

形成合適的可燃混合氣是保證缸內燃燒的先決條件，混合氣過過濃或過稀均不能燃燒。柴油機在冷起動過程中存在燃油噴到缸套，影響混合氣的形成，從而導致發動機未能成功著火。前文也提到預熱塞溫度能夠在通電時間的2秒以內達到1000-1200℃，便于加熱后續噴入缸內的油束，為穩定著火和燃燒提供了有利的環境。為便于后續數據分析，將PEPS直接起動定義為測試1，將待預熱時間結束后PEPS再起動定義為測試2。因此接下來將介紹平原常溫、高原常溫和平原低溫三種環境下測試1和測試2的數據對比。

2.1 平原常溫數據對比

車輛在平原常溫情況（氣壓1027hPa， 冷卻水溫度13℃）下測試1和測試2的冷機起動數據對比如圖3所示。由圖3可知，測試1是在點火信號觸發的同時發動機開始運轉，測試2是在點火信號觸發一定的預熱等待時間后發動機開始運轉。測試1的起動時間是1.18s，與之相比的是測試2的起動時間0.48s。這是因為測試2的預熱塞的前預熱過程使燃油開始汽化的時間提前，擴散燃燒速度加快，著火延遲期縮短，從而使柴油機能更迅速地起動并穩定運行。

2.2 高原常溫數據對比

車輛在高原常溫情況（氣壓571hPa， 冷卻水溫度36℃）下測試1和測試2的冷機起動數據對比如圖4所示。由圖4可看出，測試1的發動機轉速最高達到467rpm但卻未能成功起動，與之對比的測試2起動順利且起動時間僅有1.17s。這是因為高原的海拔高，氣壓低，導致空氣密度小，在柴油機吸入相同體積的空氣量時，柴油機得到的氧氣含量減少，燃燒效率下降，再加上缺少了起動過程的預熱使得噴入缸內的燃油無法及時有效地汽化，從而導致柴油機在不完全燃燒中震蕩而得不到蓄力，最終導致柴油機起動失敗。測試2的預熱塞可以加熱進入發動機的空氣，提高空氣溫度，降低柴油的自燃溫度，從而有助于柴油在壓縮過程中更容易壓燃，提高燃燒效率，從而使柴油機能夠順利起動。

2.3 平原低溫數據對比

車輛在平原低溫情況（氣壓1052hPa， 冷卻水溫度-17℃）下測試1和測試2的冷機起動數據對比如圖5所示。由圖5可看出，測試1的發動機轉速最高達到142rpm且未能成功起動，與之對比的測試2起動順利且起動時間僅有1.31s。這是因為柴油機本身是通過壓縮空氣產生熱量來點燃柴油的，在寒冷環境下，由于空氣溫度低，柴油的自燃溫度提高，使得點火困難，因此在缺少預熱塞預熱情況下噴入柴油機的柴油沒有被壓燃從而轉速僅有142rpm，最終則是柴油機起動失敗。相比之下，測試2由于預熱塞的預熱工作可以使缸內快速形成霧化良好的混合氣，使得柴油機順利起動。

3 結論

新的起動控制方法能實現直接發送起動請求的PEPS系統在起動車輛前完成預熱等待；車輛在高原和低溫環境下直接起動方法未能成功起動，而滿足預熱等待后起動方法能正常起動；車輛在平原常溫環境下滿足預熱等待后起動方法比直接起動方法起動時間更短。

參考文獻：

[1]郭亮.車用柴油機起動工況燃燒過程的研究[D].長春：吉林大學，2006.

[2]朱海榮，張凱倫，劉曉陽，等.柴油機低溫啟動過程關鍵影響參數研究[J].河北科技大學學報，2024，45（3）：243-251.

[3]呂恩雨，余磊，朱波，等.低溫環境下柴油機冷起動性能試驗研究[J].內燃機與動力裝置，2024，41（1）：23-28.

[4]奇瑞汽車股份有限公司.一種帶有預熱塞的柴油發動機低溫冷起動的控制方法：CN200810218479.0[P].2009-03-18.