一种发动机预热塞试验台的设计与应用

曹文霞， 汪明磊

(安徽水利水电职业技术学院，安徽 合肥 231603)

预热塞是辅助加热器，是柴油机进气加热系统中的一个重要配件。预热塞的品质直接影响柴油机的低温起动性能，而目前行业内尚无对预热塞性能和可靠性进行测试的专用装置，一般根据产品的开发流程和工艺特点，设计、制作非标准化的试验台进行有针对性的参数监控和耐久性评价。因此需建立一套预热塞试验台，通过监测预热塞关键参数，以及往复加热循环的耐久性试验来评判预热塞的品质。

1 预热塞试验台的现状分析

1.1 现状分析

目前国内外汽车行业对其所涉及多种产品的标准化要求越来越高，主要目的在于要提升对产品的质量控制。预热塞是汽车发动机的重要的电控部件，其主要功效是在规定的时间内完成对进入发动机燃烧室内的空气进行预热。为了达到严格的质量监控标准，在产品开发阶段和产品上市之后，应阶段性对其进行考核、鉴定和筛选，看其能否满足产品的设计要求和一般性耐久性要求。针对预热塞的潜在失效模式，结合市场常见的故障模式，在产品研发阶段及量产一致性控制中，主要考核预热塞的温升特性、持续加热性能以及相应的可靠性要求。

1.2 预热塞试验台的设计与制作需求

文[1]和文[2]规定的试验规范，设计预热塞性能与耐久试验测试台，通过上位机软件控制通电时间(占空比)和试验循环次数，利用前台控制器和后台软件控制按钮，实现试验开始、暂停、继续和停止的人工控制。测量过程中，软件界面要显示GCU诊断信号、预热塞加热电压和多路(4～6)加热电流、试验循环次数。预热塞加热电流出现异常时，需通过指示灯闪烁报警提示。同时，需通过冷却实现预热塞的安全工作，防止预热塞及GCU温度过高而损坏，从而实现以上标准规定的试验项目数据的采集与检测。

2 预热塞试验台的设计与制作方案

2.1 预热塞的结构

预热塞的结构如图1所示。

图1 常见发动机预热塞的结构组成

2.2 预热塞试验台的设计与试验

(1)试验台。由台体与机柜、电源系统、预热塞控制单元(GCU)、前台控制器、后台管理系统和辅助装置(预热塞固定装置、冷却系统)构成，其中， 电源系统由启动电源、两组蓄电池、必要的电缆和连接件构成，用于GCU、前台控制器、电流变送器和电压变送器供电。 预热塞控制单元(GCU)用于预热塞的驱动并反馈诊断信号。 前台控制器用于测量试验中的各种参数，产生GCU所需的控制信号，通过串行通信接口与后台管理系统交换信息，上传数据并接收上位机的指令。 后台管理系统由工控机和管理软件组成，实现试验过程的控制，以数据和图形方式显示测量参数，实现参数设定和发送控制指令，并实现数据管理。 台体用于放置预热塞固定装置和GCU。⑥机柜用于布置前台控制器、上位机系统和开关、指示灯。⑦冷却系统由电动冷却风扇和控制继电器组成，用于冷却预热塞和GCU。其系统原理如图2所示，试验台布置图如图3所示。控制系统由后台设置预热时间、预热周期、试验循环次数，前台控制器生成控制信号发送给GCU，时间继电器吸合后，用汽车起动电源和蓄电池并联成的加热电源激活电热塞。预热时间控制继电器则通过DI线把包括预热塞自诊断数据在内的信息发送给前台控制器，并且把预热塞诊断结果和工作状态传输到控制台，然后发送到后台管理系统显示出来。由并联在蓄电池上的电压变送器测得的电压、穿过连接每个预热塞的线路的霍尔电流传感器测得的电流、温度传感器测得的温度，这3个信号都由控制器采集并发送到后台显示出来，便于监测试验实时状态。另控制器采集的温度信号可用来判断是否需要进行冷却，然后由控制器向继电器发送信号，根据需要开闭冷却风扇(亦可支持手动开启冷却风扇)。

图2 预热塞试验台系统原理图

图3 预热塞试验台布置图

(2)按照发动机产品设计方案。将预热塞、缸盖等部件装配好，接入试验台架中，进行性能试验一般设置加热时长为60s，进行温升特性曲线采集，记录加热时间、电流、预热塞表面温度等参数。 可靠性试验是按照产品设计要求进行可靠性试验的边界设定(加热时间和试验循环次数)，然后进行试验评价。一般在产品通过可靠性试验后，继续做耐久性评价。当耐久试验超过可靠性要求的1.5倍后可选择终止耐久性试验。

3 应用效果举例

本文提到的方案应用到某1直列4缸发动机金属预热塞进行试验验证，所测得预热塞温升特性曲线如图4所示。

图4 某型发动机预热塞温升特性曲线

由图4可知,发动机预热塞试验台可以对预热塞试验过程中的试验时间、电压、电流温度等进行监控，满足预热塞试验的需求。在此基础上就能够改善柴油机的低温起动性能和降低冷启动过程中的排放，特别是解决寒冷地区发动机低温启动困难的问题。

4 结 论

本文针对发动机试验过程中预热塞试验需求，提出了1套能够满足该需求的试验台，并对试验台的设计方案、基本原理以及实施效果等进行了介绍。本文提出的预热塞试验台可在试验过程根据参数设定开展试验，利用控制软件完成对参数的监控和显示，记录试验进程，自动检测运行情况，在异常时可发出警报，对试验数据进行记录、存储，实现对预热塞的试验。

[参 考 文 献]

[1] QC/T413，汽车电气设备基本技术条件[S].

[2] GB/T2423.17，电工电子产品基本环境试验规程[S].

[3] 陈家瑞.汽车构造(第5版)(上册)[M]. 北京:人民交通出版社，2010.

[4] 从孟营.电控柴油机低温起动性能关键影响因素研究[D]，天津大学，2015.

[5] 岳魏强，王朔，刘炳均，等.高原高寒地域中重型车辆进气预热起动辅助装置研究[J].装备环境工程，2017，(10):41-46.