电控柴油机进气预热控制方法的研究

刘永春，齐善东，王秋花，贾 敏

（中国重汽集团技术发展中心，山东 济南 250002）

柴油发动机的低温起动性能，直接影响柴油机的工作可靠性和整机的工作效率。在低温条件下，燃油粘度的增加不利于燃油的雾化与燃烧，再加上蓄电池工作能力的降低等各个方面因素的影响，导致发动机起动变得比较困难。为改善柴油机的低温起动性能，需增设进气预热装置，以达到迅速可靠地起动发动机和改善发动机排放的目的。本文针对电控柴油机进气预热的控制方法进行分析和研究，这对于改善柴油车辆的使用性能，满足国家日益严格的排放标准要求具有非常重要的现实意义。

1 进气预热装置的结构特点

进气预热装置安装在进气歧管处，它是通过电热丝对进入气缸内的空气进行加热，使用铁镍铝合金制成的内热式电阻丝作为发热体，电阻丝的外面通过氧化铝陶瓷绝缘，绝缘体的外面是带有螺纹的金属壳体，以使其固定在发动机的进气管上。电阻丝的一端通过壳体金属搭铁，另一端通过绝缘体引到进气管的外面。通过对发热体的通电控制，从而实现对进入气缸空气的预热。图1所示为进气预热装置及在进气管处的安装图。图1中所示的进气预热装置的生产厂家是仪征派迪汽车零部件有限公司，厂家所提供的技术参数如下：标称电压24 V，工作电压范围22～32V，额定功率2.4kW，工作温度可达950～1100℃。

2 进气预热装置的工作原理

预热控制的电路系统框图见图2。OUT1是预热指示灯的输出控制引脚，OUT2是预热继电器的输出控制引脚。该电路系统主要由预热器熔断丝、预热指示器、预热继电器、预热装置、控制器MCU和驱动电路等器件组成，其中控制器MCU、驱动电路和相关的诊断电路包含在发动机控制单元的内部，作用是将电能转化为热能，达到进气预热的目的。图2中的30电是由蓄电池提供的，在低温情况下起动发动机要消耗大量的电，这对蓄电池也提出较高的要求，因此在寒区运行的车辆可根据相关标准采用低温大容量蓄电池，以保证车辆在低温环境下的顺利起动。

图2中各器件的相关参数如下。预热装置：标称电压24V，工作电压范围22～30V，额定功率2.4kW；预热继电器：标称电压24V，触点电流200A，线圈电阻46±2 Ω；预热灯：标称电压24 V，额定功率0.5 W。

当发动机ECU上电后，首先检测水温等起动预热条件，若起动预热条件满足后进入预热状态，ECU的OUT2脚输出低电平将预热继电器接通，加热器开始加热，同时输出预热指示灯信号，预热指示灯点亮用来提醒驾驶员预热器正处于工作状态，此时不应起动发动机。加热时间的长短根据水温的高低而标定，水温越低加热时间越长，一般加热时间在0～45 s。当预热指示灯熄灭，表示预热结束，此时可进行发动机的起动操作。待发动机起动成功后，为保证起动后的烟度良好，还需要继续加热一段时间，即我们通常所说的后热。

3 预热控制策略

进气预热的控制方法有很多种，不同厂家的发动机控制单元有各自不同的控制策略。例如博世系统的ECU控制方法：①根据发动机转速、蓄电池电压、起动开关的状态等当前的发动机状态判断预热的各个状态 （Temperature Reading、Pre－Heater、Stand－By with Heating、Stand－By、Cranking with Heating、Cranking、Post Heating、End Heating）；②使用选择开关选择使用最小值逻辑 （进气温度、燃油温度、环境温度、机油温度、冷却水温取最小值）还是优先级逻辑 （设置进气温度、燃油温度、环境温度、机油温度、冷却水温的优先级）来计算参考温度；③根据参考温度来查MAP计算各状态的预热时间。

我们结合仪征派迪汽车零部件有限公司的进气预热装置的结构特点和原理，设计了一种简单实用且有效的进气预热的控制方法，图3给出了详细的预热控制流程图。流程如下：当车辆的钥匙开关打到ON档，发动机ECU上电，控制单元首先检测蓄电池的电压大于标定值且发动机在没有运转的情况下，读取发动机水温T，然后根据不同的水温计算预热时间time1，开始计时进行预热。若水温T在T1之上，不需要进行预热；若水温T在T1和T2之间，根据T1和T2两点分别对应的预热时间进行插值确定预热时间；若水温T在T2和T3之间，根据T2和T3两点分别对应的预热时间进行插值确定预热时间；若T小于T3，根据T3点确定预热时间。其中T1、T2、T3对应的预热时间需要多次整车冷起动试验来进行确定。如需要进行预热，控制单元预热输出控制引脚和预热灯控制输出引脚同时输出，这时预热指示灯闪烁，用来提醒驾驶员车辆此时处于预热状态。预热结束后起动发动机，这时采集发动机水温T、车速v和发动机转速n，若水温小于标定值、发动机转速小于标定值且车速小于标定值时开始进行后热输出，当一段时间time2后，关闭预热器。图3中标识的标定值和T1、T2、T3都是可以进行标定的参数。

4 测试结果

使用上述控制方法赴寒区对发动机进行了冷起动的标定和验证，记录了起动的波形并采集了发动机的相关参数 （图4），试验取得了良好的效果。

从图4可以看出，起动过程很平顺，起动时间约在3.9 s（图4中光标1和光标2之间的时间间隔t2-t1=3.9 s），并且在起动过程中观察基本没有黑烟出现。

目前中国重汽自主开发的金王子、豪沃和部分A7车型上都采用了本文中介绍的进气预热装置和相应的控制方法，经过长期的试验充分验证了该控制方法的正确性和有效性。

5 结束语

只有从根本上深入理解进气预热的控制方法，才能很好地进行发动机冷起动性能的匹配标定工作，并通过多次试验对标定数据不断地进行改进优化，才能使发动机的起动性能达到最佳状态，以确保发动机在低温条件下平顺快速地起动。