（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

滿足輕型國Ⅴ電控柴油機預(yù)熱系統(tǒng)性能研究

魏亞玲，嚴永華

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

研究了一款小排量國Ⅴ柴油機輔助預(yù)熱系統(tǒng)的技術(shù)，介紹了這種高效的輔助預(yù)熱系統(tǒng)及其控制策略。通過柴油機電子控制系統(tǒng)進行精確控制，提升了柴油機冷起動性能，穩(wěn)定柴油機怠速，滿足DPF再生功能，從而實現(xiàn)相關(guān)排放指標。

電控柴油機陶瓷預(yù)熱塞預(yù)熱控制器

1 前言

隨著柴油機配套應(yīng)用范圍的不斷擴大，從商用客車、旅游巴士、城市公交到工程機械，柴油機的使用條件及環(huán)境發(fā)生了變化，客戶對柴油機的冷起動性能提出了更高的要求。柴油機的冷起動能力是柴油機性能的重要指標之一，直接影響到整車的適配性。另一方面，柴油機排放包括低溫怠速排放的要求也日益嚴格。為此，本文主要介紹一種高效節(jié)能的輔助預(yù)熱產(chǎn)品在上柴R系列柴油機上的應(yīng)用。

2 柴油機輔助起動預(yù)熱裝置及冷起動性能

柴油輔助起動預(yù)熱裝置按其功能可以分為：發(fā)動機保溫技術(shù)和進氣加熱。保溫技術(shù)即通過加熱器對柴油機機油及冷卻液進行加熱保溫，降低機油黏度，達到優(yōu)良的冷起動效果。但這種裝置需要220Ⅴ交流電源，適用于區(qū)域性、有固定駐點的車輛，使用范圍受到限制。進氣加熱就是采用加熱裝置，利用整車電源對柴油機進氣進行加熱，提高進氣溫度，提升低溫起動能力。

柴油機進氣加熱裝置又可以分為乙醚起動液輔助起動裝置、火焰預(yù)熱輔助起動裝置、電阻預(yù)熱器、PTC預(yù)熱器和預(yù)熱塞。主要的進氣加熱裝置可達到的冷起動溫度及適應(yīng)的排放要求見表1。

表1 冷起動裝置分類

3 上柴R系列輕型國Ⅴ柴油機預(yù)熱技術(shù)方案分析

3.1發(fā)動機基本參數(shù)

本款發(fā)動機采用雙頂置凸輪軸、液壓挺柱、正時皮帶驅(qū)動、閉式油氣分離裝置等技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、噪音低、油耗低、可靠性高等特點，適用于寬體輕客、輕卡、皮卡和SUⅤ。具體參數(shù)表見2，冷起動開發(fā)目標溫度-25℃。

3.2輔助預(yù)熱系統(tǒng)技術(shù)方案設(shè)計

電阻預(yù)熱器外形結(jié)構(gòu)和預(yù)熱塞外形結(jié)構(gòu)分別參見圖1和圖2。它們的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及性能特點不同，溫升特性對比見圖3。電阻器預(yù)熱器安裝于發(fā)動機進氣歧管，根據(jù)發(fā)動機進氣量及整車蓄電池容量大小設(shè)計預(yù)熱器的功率，一般為1.0～3.5 kW，電流范圍40～160 A。對于大功率電阻預(yù)熱器，一般采用24Ⅴ電壓系統(tǒng)。其工作原理是發(fā)動機控制單元根據(jù)環(huán)境溫度等條件發(fā)出通電指令，20 s后，金屬加熱帶中央表面溫度達到850℃以上。此時氣流經(jīng)過炙熱的預(yù)熱器被加熱，然后進入進氣歧管再到柴油機燃燒室。這種裝置由于加熱后的空氣經(jīng)過進氣管再到燃燒室，溫度大大降低，熱量損失多，不能得到有效利用。從另一個角度講，在低溫條件下，由于蓄電池的放電能力降低，預(yù)熱器消耗的功率較大，也會影響冷起動性能。

這款柴油機采用12Ⅴ電壓系統(tǒng)，整車上屬于緊湊型布置，蓄電池容量相對小，所以不能選擇這種功率大、效率相對比較低的空氣預(yù)熱器。根據(jù)電阻預(yù)熱器與預(yù)熱塞的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點及溫升、電流特性的比較，選定預(yù)熱塞作為國Ⅴ柴油機的輔助冷起動裝置。

圖1 電阻預(yù)熱器外形結(jié)構(gòu)

圖2 預(yù)熱塞外形結(jié)構(gòu)

圖3 電阻預(yù)熱器與預(yù)熱塞溫升性能對比

預(yù)熱塞安裝于氣缸蓋上，頭部伸入燃燒室，每缸布置一個。從圖3可見，與電阻預(yù)熱器相比，預(yù)熱塞具有優(yōu)良的溫升性能：在6.5 s內(nèi)即可達到850℃以上，在20 s時，即可達到穩(wěn)定溫度，控制在950～1 200℃之間；其瞬時電流為16～18 A，穩(wěn)定電流僅需2～7 A。預(yù)熱塞大大降低了對蓄電池容量的依賴及溫度對蓄電池放電特性的影響，可以為低溫起動過程中其它大功率用電器，如起動機，節(jié)約寶貴的首次起動電源，從而提高拖動轉(zhuǎn)速。當(dāng)通電時，預(yù)熱塞頭部2 mm處為高溫區(qū)域，因此按照一定的設(shè)計要求進行噴油器油束和預(yù)熱塞的匹配設(shè)計。發(fā)動機冷起動時，噴油器按照預(yù)定起動油量噴油，霧化的燃油與局部熱空氣充分混合，在起動機的拖動下，柴油機點火起動，起動轉(zhuǎn)速迅速升高，柴油機進入怠速狀態(tài)。

3.3預(yù)熱塞分類

目前預(yù)熱塞按照發(fā)熱體頭部的結(jié)構(gòu)和材料可分為金屬預(yù)熱塞和陶瓷預(yù)熱塞2種。陶瓷預(yù)熱塞采用一種新型材料——多層陶瓷基復(fù)合材料作為發(fā)熱導(dǎo)體，具有良好的耐燒蝕性、耐高溫強度和抗熱沖擊性的能力，而且表面不易粘附其他物質(zhì)，并與金屬發(fā)熱體具有良好的融合性及工藝性。金屬預(yù)熱塞發(fā)熱體為高溫合金，絕緣粉作為熱傳導(dǎo)介質(zhì)，預(yù)熱塞頭部溫升相對較慢。從圖4～圖6可以看出，陶瓷預(yù)熱塞具有升溫快、穩(wěn)定溫度高、可靠性高、冷起動性能優(yōu)、電流消耗?。ü?jié)能環(huán)保）的特點，而金屬預(yù)熱塞價格競爭力明顯，及發(fā)生故障時的危害性小于陶瓷預(yù)熱塞。

圖4 陶瓷預(yù)熱塞與金屬預(yù)熱塞對比

圖5 陶瓷預(yù)熱塞與金屬預(yù)熱塞性能對比

圖6 陶瓷預(yù)熱塞與金屬預(yù)熱塞電流特性對比

這款輕型國Ⅴ電控柴油機電控系統(tǒng)引入最低溫優(yōu)化噴油及加熱理念，預(yù)熱塞的工作參與到發(fā)動機的低溫起動、HC/CO排放、DPF再生等重要過程，要求預(yù)熱塞具有良好的溫升特性，以及長時間工作的特性。根據(jù)這些應(yīng)用特點，選用陶瓷預(yù)熱塞作為冷起動裝置。

3.4陶瓷預(yù)熱塞結(jié)構(gòu)匹配設(shè)計

3.4.1 陶瓷預(yù)熱塞布置

預(yù)熱塞安裝如圖7所示。預(yù)熱塞通過螺紋與氣缸蓋配合，與氣缸蓋的密封是靠2個不同角度的錐面線密封。燃燒室有較高的爆發(fā)壓力，所以預(yù)熱塞的密封特別重要。

圖7 預(yù)熱塞安裝示意圖

3.4.2 陶瓷預(yù)熱塞與油嘴匹配設(shè)計

當(dāng)預(yù)熱塞通電時，頭部2 mm處為高溫區(qū)域。為了提高發(fā)動機冷起動性能，陶瓷預(yù)熱塞設(shè)計必須與發(fā)動機噴油器油嘴的油束設(shè)計匹配，如圖8所示。預(yù)熱塞頭部高溫區(qū)域與油嘴的距離、與油束的垂直距離及鄰近油束的間距都有匹配要求。預(yù)熱塞與噴油嘴的相對位置對預(yù)噴量、起動性能及預(yù)熱塞可靠性影響較大。

圖8 預(yù)熱塞與油嘴匹配示意圖

3.5陶瓷預(yù)熱塞工作原理

陶瓷預(yù)熱塞具有改善燃燒有助于起動的優(yōu)良性能[1]，但要實現(xiàn)國Ⅴ電控柴油機的先進設(shè)計理念，還需引入預(yù)熱塞控制器（GCU）。GCU一端與EDC連接，另一端與預(yù)熱塞連接。GCU根據(jù)EDC發(fā)出的PWM占空比，將接受到的控制信號轉(zhuǎn)換為預(yù)熱塞工作信號。陶瓷預(yù)熱塞結(jié)構(gòu)如圖9所示。工作時電流由接插器通過連接桿到金屬發(fā)熱體正極接頭，再通過殼體接地連接成一個回路。通電后預(yù)熱塞頭部溫度急速上升，4.5 s即可達到850℃以上，燃燒室氣體被加熱，溫度迅速上升，EDC按照標定噴油時刻發(fā)出定量噴油指令，油束霧化后與加熱的空氣混合，在起動機拖動下，混合氣壓縮燃燒，發(fā)動機迅速脫離外力起動成功，進入怠速狀態(tài)。

圖9 陶瓷預(yù)熱塞結(jié)構(gòu)示意圖

3.6GCU控制策略

3.6.1 預(yù)熱控制過程

預(yù)熱控制器GCU與EDC的連接線路如圖10所示。ST為控制信號輸入端，周期為T，有效工作周期為ton，如圖11所示。GCU得到一定頻率、一定占空比的PWM脈沖觸發(fā)信號后，場效應(yīng)晶體管MOSFET開啟，G1通電加熱，G1下降沿G2接通，以此類推。EDC可聯(lián)動柴油機各缸的點火順序，實現(xiàn)對各缸預(yù)熱塞的精確控制。從此控制邏輯時序圖可見，預(yù)熱塞按照EDC系統(tǒng)文件標定的占空比（ton/T）工作。

其中，URMS為預(yù)熱塞電壓，U0為蓄電池電壓。

圖10 4缸發(fā)動機預(yù)熱控制器接線原理圖

圖11 4缸發(fā)動機預(yù)熱塞控制時序邏輯圖

3.6.2 預(yù)熱塞故障診斷

預(yù)熱控制器GCU不僅可對每個預(yù)熱塞單獨控制，而且可以根據(jù)每個預(yù)熱塞回路電流大小診斷預(yù)熱塞的工作狀況，如圖12所示。0～31位為一個數(shù)據(jù)，0為起始位，即標志位，1～31位讀取各個預(yù)熱塞的工作信息，并在下一個周期1～9位通過DⅠ將診斷情況反饋給EDC。表3為0～9位數(shù)據(jù)信息。圖13舉例說明第3缸出現(xiàn)短路時，DⅠ反饋給EDC的數(shù)據(jù)情況。

3.6.3 冷起動預(yù)熱控制

這款國Ⅴ柴油機冷起動過程分為前預(yù)熱和后預(yù)熱。前預(yù)熱時間一般為6～12 s，PWM波占空比達到90%以上；后預(yù)熱時間為1～3 min，占空比為50%～70%。前預(yù)熱階段發(fā)動機EDC根據(jù)環(huán)境溫度、冷卻水溫度、燃油溫度控制預(yù)熱塞工作，快速加熱燃燒室預(yù)熱塞周圍的進氣溫度，噴油器油束與局部加熱的空氣相遇，壓燃點火。在后預(yù)熱階段，EDC根據(jù)接收到的發(fā)動機起動情況，比如是否有發(fā)動機轉(zhuǎn)速突變，起動后預(yù)熱程序，并調(diào)正噴油時刻。后預(yù)熱過程起到穩(wěn)定發(fā)動機怠速的作用。從圖14中可見，在-20℃環(huán)境溫度下，對于6.5 s達到950℃與6.5 s達到1 050℃的2種溫升速度的預(yù)熱塞，EDC在相同的預(yù)熱標定數(shù)據(jù)下，溫升快的預(yù)熱塞，起動及怠速狀況下發(fā)動機轉(zhuǎn)速波動較小。

圖12 控制信號與診斷反饋

圖13 第3缸預(yù)熱塞工作異常

表3 DⅠ診斷信息

3.6.4 輔助DPF再生

該款國Ⅴ電控柴油機采用的后處理技術(shù)是DOC+DPF。DPF是目前國際上公認的、最實用有效的顆粒后處理技術(shù)[2]。當(dāng)顆粒捕集器DPF系統(tǒng)中一些未被進行分解燃燒的顆粒沉積在載體中，并且顆粒數(shù)量達到一定程度時，廢氣流動阻力增大。為了防止DPF堵死，必須定期清除這些顆粒，其中一種有效的方式是再生，通過提升排氣溫度進行主動再生。當(dāng)需要主動再生時，發(fā)動機控制系統(tǒng)EDC根據(jù)空氣質(zhì)量流量計、溫度傳感器、廢氣壓力傳感器等信號發(fā)出主動再生指令。其中一個動作就是啟動預(yù)熱塞工作，減少燃油主噴射，在上止點后一定角度，導(dǎo)入一個燃油后噴射，排氣溫度在短時間內(nèi)被提升100℃以上，聚集在載體上的碳顆粒迅速被氧化為二氧化碳。陶瓷預(yù)熱塞輔助促進DPF再生，實現(xiàn)相關(guān)排放指標的重要作用。

圖14 預(yù)熱塞溫升對柴油機轉(zhuǎn)速的影響

4 冷起動性能

發(fā)動機冷起動試驗按照一定的測試標準進行，發(fā)動機在-25℃環(huán)境中冷凍保溫20 h后進行冷起動試驗。采用陶瓷塞輔助預(yù)熱，并對冷起動時間進行了優(yōu)化：預(yù)熱時間優(yōu)化、主噴時間優(yōu)化、起動油量優(yōu)化、軌壓優(yōu)化[3]。3次試驗結(jié)果均滿足-25℃環(huán)境下起動時間小于5 s的要求。良好的冷起動性能達到設(shè)計開發(fā)目標，見表4。

表4 冷起動試驗結(jié)果

5 結(jié)論

陶瓷預(yù)熱塞以其良好的溫升性能提升了本國Ⅴ發(fā)動機冷起動能力，減少了客戶起動等待時間，提高了整車的操作性；優(yōu)良的長時間工作的特性，提高了發(fā)動機怠速穩(wěn)定性，輔助促進了DPF的再生功能。但因我國陶瓷及發(fā)熱主體材料發(fā)展相對落后，核心技術(shù)發(fā)展不夠成熟，使用成本較高。隨著柴油機排放法規(guī)要求日益嚴格，發(fā)動機標定經(jīng)驗及標定策略不斷完善，陶瓷預(yù)熱塞將得到廣泛的應(yīng)用。

1 Li D T,Shan C X,Jia D C,et al.An Analysis of the Unsteady Combustion at Starting in a Swirl Chamber Diesel Engine in Cold starting[J]. Transactions of CSICE,1994(1):29-35.

2劉瑞祥，高希彥，楊德勝等.柴油機微粒陶瓷過濾器紅外加熱再生的優(yōu)化[J].內(nèi)燃機學(xué)報，2004，22（6）：481-485.

3梁金廣，于秀敏，王云開等.進氣預(yù)熱對電控柴油機起動性能影響的研究[J].汽車技術(shù)，2007（2）.

Study on Glow System Performance for ChinaⅤLight-Duty Electrically Controlled Diesel Engine

Wei Yaling,Yan Yonghua
（Shanghai Diesel Engine Co.,Ltd.Shanghai 200438,China）

By technical anal ysis of an aid glow system for one ChinaⅤdiesel engine of smalldisplacement,an advanced efficient glow system and a strategy of control are introduced.Based on EDC control,precious control of the glow system is achieved,thus improving engine cold starting ability, stabilizing the engine idle speed，and satisfying the need of DPF regeneration required by relevant emission legislations.

electrically controlled diesel control，ceramic glow plug,glow control unit

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.04.006

來稿日期：2014-10-08

魏亞玲（1976-），女，工程師，主要研究方向為發(fā)動機起動系統(tǒng)，預(yù)熱技術(shù)。