满足轻型国Ⅴ电控柴油机预热系统性能研究

（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

满足轻型国Ⅴ电控柴油机预热系统性能研究

魏亚玲，严永华

（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

研究了一款小排量国Ⅴ柴油机辅助预热系统的技术，介绍了这种高效的辅助预热系统及其控制策略。通过柴油机电子控制系统进行精确控制，提升了柴油机冷起动性能，稳定柴油机怠速，满足DPF再生功能，从而实现相关排放指标。

电控柴油机陶瓷预热塞预热控制器

1 前言

随着柴油机配套应用范围的不断扩大，从商用客车、旅游巴士、城市公交到工程机械，柴油机的使用条件及环境发生了变化，客户对柴油机的冷起动性能提出了更高的要求。柴油机的冷起动能力是柴油机性能的重要指标之一，直接影响到整车的适配性。另一方面，柴油机排放包括低温怠速排放的要求也日益严格。为此，本文主要介绍一种高效节能的辅助预热产品在上柴R系列柴油机上的应用。

2 柴油机辅助起动预热装置及冷起动性能

柴油辅助起动预热装置按其功能可以分为：发动机保温技术和进气加热。保温技术即通过加热器对柴油机机油及冷却液进行加热保温，降低机油黏度，达到优良的冷起动效果。但这种装置需要220Ⅴ交流电源，适用于区域性、有固定驻点的车辆，使用范围受到限制。进气加热就是采用加热装置，利用整车电源对柴油机进气进行加热，提高进气温度，提升低温起动能力。

柴油机进气加热装置又可以分为乙醚起动液辅助起动装置、火焰预热辅助起动装置、电阻预热器、PTC预热器和预热塞。主要的进气加热装置可达到的冷起动温度及适应的排放要求见表1。

表1 冷起动装置分类

3 上柴R系列轻型国Ⅴ柴油机预热技术方案分析

3.1发动机基本参数

本款发动机采用双顶置凸轮轴、液压挺柱、正时皮带驱动、闭式油气分离装置等技术，具有结构紧凑、噪音低、油耗低、可靠性高等特点，适用于宽体轻客、轻卡、皮卡和SUⅤ。具体参数表见2，冷起动开发目标温度-25℃。

3.2辅助预热系统技术方案设计

电阻预热器外形结构和预热塞外形结构分别参见图1和图2。它们的产品结构及性能特点不同，温升特性对比见图3。电阻器预热器安装于发动机进气歧管，根据发动机进气量及整车蓄电池容量大小设计预热器的功率，一般为1.0～3.5 kW，电流范围40～160 A。对于大功率电阻预热器，一般采用24Ⅴ电压系统。其工作原理是发动机控制单元根据环境温度等条件发出通电指令，20 s后，金属加热带中央表面温度达到850℃以上。此时气流经过炙热的预热器被加热，然后进入进气歧管再到柴油机燃烧室。这种装置由于加热后的空气经过进气管再到燃烧室，温度大大降低，热量损失多，不能得到有效利用。从另一个角度讲，在低温条件下，由于蓄电池的放电能力降低，预热器消耗的功率较大，也会影响冷起动性能。

这款柴油机采用12Ⅴ电压系统，整车上属于紧凑型布置，蓄电池容量相对小，所以不能选择这种功率大、效率相对比较低的空气预热器。根据电阻预热器与预热塞的产品结构特点及温升、电流特性的比较，选定预热塞作为国Ⅴ柴油机的辅助冷起动装置。

图1 电阻预热器外形结构

图2 预热塞外形结构

图3 电阻预热器与预热塞温升性能对比

预热塞安装于气缸盖上，头部伸入燃烧室，每缸布置一个。从图3可见，与电阻预热器相比，预热塞具有优良的温升性能：在6.5 s内即可达到850℃以上，在20 s时，即可达到稳定温度，控制在950～1 200℃之间；其瞬时电流为16～18 A，稳定电流仅需2～7 A。预热塞大大降低了对蓄电池容量的依赖及温度对蓄电池放电特性的影响，可以为低温起动过程中其它大功率用电器，如起动机，节约宝贵的首次起动电源，从而提高拖动转速。当通电时，预热塞头部2 mm处为高温区域，因此按照一定的设计要求进行喷油器油束和预热塞的匹配设计。发动机冷起动时，喷油器按照预定起动油量喷油，雾化的燃油与局部热空气充分混合，在起动机的拖动下，柴油机点火起动，起动转速迅速升高，柴油机进入怠速状态。

3.3预热塞分类

目前预热塞按照发热体头部的结构和材料可分为金属预热塞和陶瓷预热塞2种。陶瓷预热塞采用一种新型材料——多层陶瓷基复合材料作为发热导体，具有良好的耐烧蚀性、耐高温强度和抗热冲击性的能力，而且表面不易粘附其他物质，并与金属发热体具有良好的融合性及工艺性。金属预热塞发热体为高温合金，绝缘粉作为热传导介质，预热塞头部温升相对较慢。从图4～图6可以看出，陶瓷预热塞具有升温快、稳定温度高、可靠性高、冷起动性能优、电流消耗小（节能环保）的特点，而金属预热塞价格竞争力明显，及发生故障时的危害性小于陶瓷预热塞。

图4 陶瓷预热塞与金属预热塞对比

图5 陶瓷预热塞与金属预热塞性能对比

图6 陶瓷预热塞与金属预热塞电流特性对比

这款轻型国Ⅴ电控柴油机电控系统引入最低温优化喷油及加热理念，预热塞的工作参与到发动机的低温起动、HC/CO排放、DPF再生等重要过程，要求预热塞具有良好的温升特性，以及长时间工作的特性。根据这些应用特点，选用陶瓷预热塞作为冷起动装置。

3.4陶瓷预热塞结构匹配设计

3.4.1 陶瓷预热塞布置

预热塞安装如图7所示。预热塞通过螺纹与气缸盖配合，与气缸盖的密封是靠2个不同角度的锥面线密封。燃烧室有较高的爆发压力，所以预热塞的密封特别重要。

图7 预热塞安装示意图

3.4.2 陶瓷预热塞与油嘴匹配设计

当预热塞通电时，头部2 mm处为高温区域。为了提高发动机冷起动性能，陶瓷预热塞设计必须与发动机喷油器油嘴的油束设计匹配，如图8所示。预热塞头部高温区域与油嘴的距离、与油束的垂直距离及邻近油束的间距都有匹配要求。预热塞与喷油嘴的相对位置对预喷量、起动性能及预热塞可靠性影响较大。

图8 预热塞与油嘴匹配示意图

3.5陶瓷预热塞工作原理

陶瓷预热塞具有改善燃烧有助于起动的优良性能[1]，但要实现国Ⅴ电控柴油机的先进设计理念，还需引入预热塞控制器（GCU）。GCU一端与EDC连接，另一端与预热塞连接。GCU根据EDC发出的PWM占空比，将接受到的控制信号转换为预热塞工作信号。陶瓷预热塞结构如图9所示。工作时电流由接插器通过连接杆到金属发热体正极接头，再通过壳体接地连接成一个回路。通电后预热塞头部温度急速上升，4.5 s即可达到850℃以上，燃烧室气体被加热，温度迅速上升，EDC按照标定喷油时刻发出定量喷油指令，油束雾化后与加热的空气混合，在起动机拖动下，混合气压缩燃烧，发动机迅速脱离外力起动成功，进入怠速状态。

图9 陶瓷预热塞结构示意图

3.6GCU控制策略

3.6.1 预热控制过程

预热控制器GCU与EDC的连接线路如图10所示。ST为控制信号输入端，周期为T，有效工作周期为ton，如图11所示。GCU得到一定频率、一定占空比的PWM脉冲触发信号后，场效应晶体管MOSFET开启，G1通电加热，G1下降沿G2接通，以此类推。EDC可联动柴油机各缸的点火顺序，实现对各缸预热塞的精确控制。从此控制逻辑时序图可见，预热塞按照EDC系统文件标定的占空比（ton/T）工作。

其中，URMS为预热塞电压，U0为蓄电池电压。

图10 4缸发动机预热控制器接线原理图

图11 4缸发动机预热塞控制时序逻辑图

3.6.2 预热塞故障诊断

预热控制器GCU不仅可对每个预热塞单独控制，而且可以根据每个预热塞回路电流大小诊断预热塞的工作状况，如图12所示。0～31位为一个数据，0为起始位，即标志位，1～31位读取各个预热塞的工作信息，并在下一个周期1～9位通过DⅠ将诊断情况反馈给EDC。表3为0～9位数据信息。图13举例说明第3缸出现短路时，DⅠ反馈给EDC的数据情况。

3.6.3 冷起动预热控制

这款国Ⅴ柴油机冷起动过程分为前预热和后预热。前预热时间一般为6～12 s，PWM波占空比达到90%以上；后预热时间为1～3 min，占空比为50%～70%。前预热阶段发动机EDC根据环境温度、冷却水温度、燃油温度控制预热塞工作，快速加热燃烧室预热塞周围的进气温度，喷油器油束与局部加热的空气相遇，压燃点火。在后预热阶段，EDC根据接收到的发动机起动情况，比如是否有发动机转速突变，起动后预热程序，并调正喷油时刻。后预热过程起到稳定发动机怠速的作用。从图14中可见，在-20℃环境温度下，对于6.5 s达到950℃与6.5 s达到1 050℃的2种温升速度的预热塞，EDC在相同的预热标定数据下，温升快的预热塞，起动及怠速状况下发动机转速波动较小。

图12 控制信号与诊断反馈

图13 第3缸预热塞工作异常

表3 DⅠ诊断信息

3.6.4 辅助DPF再生

该款国Ⅴ电控柴油机采用的后处理技术是DOC+DPF。DPF是目前国际上公认的、最实用有效的颗粒后处理技术[2]。当颗粒捕集器DPF系统中一些未被进行分解燃烧的颗粒沉积在载体中，并且颗粒数量达到一定程度时，废气流动阻力增大。为了防止DPF堵死，必须定期清除这些颗粒，其中一种有效的方式是再生，通过提升排气温度进行主动再生。当需要主动再生时，发动机控制系统EDC根据空气质量流量计、温度传感器、废气压力传感器等信号发出主动再生指令。其中一个动作就是启动预热塞工作，减少燃油主喷射，在上止点后一定角度，导入一个燃油后喷射，排气温度在短时间内被提升100℃以上，聚集在载体上的碳颗粒迅速被氧化为二氧化碳。陶瓷预热塞辅助促进DPF再生，实现相关排放指标的重要作用。

图14 预热塞温升对柴油机转速的影响

4 冷起动性能

发动机冷起动试验按照一定的测试标准进行，发动机在-25℃环境中冷冻保温20 h后进行冷起动试验。采用陶瓷塞辅助预热，并对冷起动时间进行了优化：预热时间优化、主喷时间优化、起动油量优化、轨压优化[3]。3次试验结果均满足-25℃环境下起动时间小于5 s的要求。良好的冷起动性能达到设计开发目标，见表4。

表4 冷起动试验结果

5 结论

陶瓷预热塞以其良好的温升性能提升了本国Ⅴ发动机冷起动能力，减少了客户起动等待时间，提高了整车的操作性；优良的长时间工作的特性，提高了发动机怠速稳定性，辅助促进了DPF的再生功能。但因我国陶瓷及发热主体材料发展相对落后，核心技术发展不够成熟，使用成本较高。随着柴油机排放法规要求日益严格，发动机标定经验及标定策略不断完善，陶瓷预热塞将得到广泛的应用。

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刘瑞祥，高希彦，杨德胜等.柴油机微粒陶瓷过滤器红外加热再生的优化[J].内燃机学报，2004，22（6）：481-485.

3梁金广，于秀敏，王云开等.进气预热对电控柴油机起动性能影响的研究[J].汽车技术，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

来稿日期：2014-10-08

魏亚玲（1976-），女，工程师，主要研究方向为发动机起动系统，预热技术。