配備駐車加熱器的柴油機冷起動性能改進

鄧 勇 袁忠莊 周 江

（中國第一汽車股份有限公司技術中心）

1 前言

在我國新疆、內蒙古和東北的部分地區，冬季嚴寒條件下的環境溫度最低時達到-30℃以下，極端條件下甚至達到-40℃以下，要求以這些地區為目標市場而開發的某型特種車輛具備在-40℃以下極低氣溫條件下的冷起動能力。良好的冷起動性能是該型特種車輛和柴油機的重要考核指標，也是產品開發中的重點和難點。

駐車加熱器是提高柴油機冷起動能力的非常有效的冷起動輔助裝置，但是在實際產品開發和試驗過程中發現，對于電控柴油機來說，單純通過加裝駐車加熱器的方法并不能直接提高冷起動能力，有時還會起到相反的效果。因此，需要綜合考慮駐車加熱器對柴油機冷起動過程的影響以及與其他冷起動輔助裝置的工作協調，對發動機電控系統進行相應的改進，并重新進行冷起動標定，實現柴油機和駐車加熱器的協調控制，進而充分發揮駐車加熱器的作用，使柴油機冷起動性能得到提高。

2 駐車加熱器的基本工作原理

駐車加熱器是獨立于柴油機的加熱裝置，有單獨的燃油管路、電路、燃燒加熱裝置和控制裝置等，其不需要起動發動機就可以對冬季低溫環境中的發動機進行預熱升溫。駐車加熱器工作原理是：駐車加熱器與發動機的冷卻系管路串聯，采用車輛自身的蓄電池供電，從油箱中提取少量燃油到駐車加熱器燃燒室，然后用點火器點燃，通過燃燒燃油所產生的熱量來加熱發動機冷卻液，并通過自帶的水泵使加熱后的冷卻液在發動機冷卻系管路中循環流動，從而間接加熱發動機缸體、潤滑系以及進氣系，使發動機整體溫度升高，并大大減小發動機的內部摩擦阻力，從而為發動機在極端低溫條件下的成功起動創造有利條件。某型駐車加熱器的結構原理如圖1所示。

3 加裝駐車加熱器后柴油機初始冷起動試驗

3.1 試驗對象

以高寒地區為目標市場開發的某型特種車輛所裝備的某型柴油機，是一款已投放市場的成熟產品，其采用電控高壓共軌燃油噴射系統，且在產品開發階段已經經過了充分的一般寒區冷起動標定和試驗驗證。標定和試驗結果表明，原機型在不加裝駐車加熱器且僅使用進氣加熱器的條件下，最低能夠在－30℃環境溫度條件下實現成功的冷起動，但不具備在低于－30℃環境溫度條件下的冷起動能力。該機主要技術參數見表1所列。

表1 某型電控柴油機主要技術參數

為了滿足車輛在高寒地區的環境適應性要求，需要該型柴油機具備在最低－41℃的極端低溫條件下的冷起動能力，因此，對該型柴油機加裝了駐車加熱器。

3.2 試驗條件

在沒有重新進行冷起動標定的條件下，對使用駐車加熱器的該型電控柴油機進行了低于－30℃環境溫度條件下的冷起動試驗，試驗條件見表2所列。

3.3 初始冷起動試驗結果

起動前，發動機經過駐車加熱器一定時間的預熱，節溫器出水口處冷卻液溫度達到了25℃以上，進氣加熱器也按照規定的最長預熱時間進行了預熱，但是試驗結果出人意料，駐車加熱器對冷起動性能的提高沒有起到立竿見影的效果，冷起動性能仍然較差。其主要表現為起動時間較長，雖然起動機拖動轉速已經足夠高，燃油噴射情況也較好，但是仍然需要兩次以上起動才能成功；第一次起動需要拖動很長時間，雖然氣缸內有著火跡象，但是著火燃燒后轉速上升速度較慢，發動機轉速停留在較低的轉速區域大幅度劇烈波動，始終無法過渡到怠速，起動失??；第二次起動也要較長時間才能勉強起動成功，轉速上升速度較慢，無法迅速過渡到怠速穩定運行。如圖2所示。

表2 某型電控柴油機在極端低溫條件下冷起動試驗條件

4 加裝駐車加熱器后柴油機冷起動困難原因分析

為了查找加裝駐車加熱器后柴油機冷起動困難的原因，進行了多次相同條件下的冷起動試驗，對起動前、后及起動過程中的各種發動機狀態參數和電控系統控制參數進行了監測與記錄。主要測量參數有環境溫度、冷卻液溫度、進氣溫度、發動機轉速、蓄電池電壓、起動噴油量、起動正時、起動軌壓等[1]。

經過對試驗記錄中各測量參數的詳細研究和分析，確認加裝駐車加熱器后柴油機冷起動困難的原因主要有以下幾點。

a.加熱后的冷卻液溫度對起動過程中的ECU控制參數造成不利影響

研究發現，駐車加熱器對冷卻液的加熱并不是同時對冷卻系內全部冷卻液加熱，雖然駐車加熱器的水泵會驅動冷卻液在發動機冷卻系管路里循環流動，但是由于受駐車加熱器水泵工作能力的限制，此時的冷卻液循環流量遠小于發動機著火運行后的循環流量，并且隨著循環路程的加長，來自駐車加熱器加熱后的的冷卻液的溫度也逐漸降低，對發動機的加熱能力也逐漸下降。因此，在相同的加熱時間內，發動機距離駐車加熱器熱水出口處較近的部分比遠離進口處的部分的溫度上升要高，亦即此時發動機各部分的溫度是不均勻的。

而對于該型號電控柴油機軟件原有的起動控制策略來說，其主要通過冷卻液溫度來判斷發動機整體溫度，并估計發動機內部摩擦阻力的大小。冷卻液溫度越低，則認為發動機整體溫度越低，內部阻力越大，越難以起動。在軟件的起動控制功能模塊中的進氣預熱MAP、起動噴油量MAP、起動正時MAP和起動軌壓MAP等控制參數圖表中，冷卻液溫度都是主要的計算輸入量，經過標定人員標定后，可以得到對應不同冷卻液溫度條件下的最佳進氣預熱時間、起動噴油量、起動正時和起動軌壓，如圖3所示。該型柴油機經過冷起動標定后，不同的冷卻液溫度對應的起動控制參數之間差別較大，尤其是進氣預熱時間和起動噴油量差別較大。

在該型電控柴油機上，電控系統中的冷卻液溫度傳感器安裝在發動機節溫器出水口處，如果發動機冷起動之前沒有使用駐車加熱器加熱，ECU檢測到的冷卻液溫度基本上代表了發動機的整體溫度，能夠真實反映發動機內部的摩擦阻力情況。如果發動機冷起動之前使用駐車加熱器進行了加熱，那么這時ECU檢測到的冷卻液溫度僅是冷卻液溫度傳感器安裝位置附近的冷卻液溫度，此處的冷卻液溫度實際上無法代表發動機的整體溫度狀態，也無法真實反映發動機內部的摩擦阻力情況。

因此，在先前的冷起動試驗中，當ECU檢測到冷卻液溫度為25℃時，由于發動機各個部分加熱的不均勻，只表明傳感器附近的冷卻液溫度達到了25℃，而發動機的整體溫度并沒有達到25℃，這時發動機的內部摩擦阻力雖然比－35℃時要小，但是仍然遠大于發動機整體溫度為25℃時的內部摩擦阻力。由于軟件主要檢測冷卻液溫度傳感器信號，就對發動機的整體溫度造成了誤判，進而誤以為當前對發動機摩擦阻力已經下降到了發動機整體溫度為25℃時的較小的水平，計算出了不正確的偏小進氣預熱時間、起動噴油量、起動正時和起動軌壓控制參數，造成了發動機冷起動困難[2]。

b.駐車加熱器和進氣加熱器未能進行合理的工作協調

駐車加熱器由自身的起動開關和控制器控制，進氣加熱器由發動機電控系統ECU自動控制，二者之間是獨立工作的，如果在發動機起動前駐車加熱器和進氣加熱器同時開始工作，則無法形成有效的工作協調。因為駐車加熱器工作時間較長，將冷卻液溫度由－30℃以下加熱到20℃以上需要15～20 min，有時為了將冷卻液溫度盡可能的加熱，加熱時間甚至在30 min以上。駐車加熱器對蓄電池電能的消耗量很小，主要依靠燃油燃燒對冷卻液進行加熱，且自身配有循環水泵和熱交換器，長時間工作也不會有過熱問題；而進氣加熱器是電阻絲式加熱器，其依靠蓄電池供電對進氣道內的空氣進行預熱，受自身結構原理影響，加熱時間一般不能超過1 min，否則會燒壞加熱器，或者對蓄電池電能消耗太大，而影響起動機的起動扭矩。

如果在發動機起動前駐車加熱器和進氣加熱器同時開始工作，那么進氣加熱器工作約1 min后將自動關閉；在之后駐車加熱器工作的較長一段時間內，由于環境溫度較低，剛剛被進氣加熱器加熱后的發動機進氣道內的空氣溫度又將逐漸下降，到駐車加熱器工作結束、發動機即將冷起動之前，發動機進氣道內的空氣溫度將下降到幾乎接近于環境溫度，使得進氣加熱器很大程度上失去了加熱效果，且造成了對蓄電池電能的浪費。因此，在發動機起動時，進入氣缸內的空氣溫度仍然較低，不利于燃油著火燃燒，使發動機冷起動較為困難。

如果是另一種情況，即先打開駐車加熱器使其工作，當駐車加熱器加熱結束之后再給ECU上電，使進氣加熱器工作，則會發現實際上這時ECU不會激活進氣加熱器工作了，因為這時候ECU檢測到水溫已經比較高，會誤以為發動機溫度已經比較高，而不必激活進氣加熱器工作。

5 加裝駐車加熱器后柴油機冷起動性能改進

5.1 改進電控系統硬件和軟件控制策略

5.1.1 電控系統硬件改進

在電控系統中增加大氣溫度傳感器，并將其安裝到車輛上駐車加熱器加熱不到的位置，ECU可通過該傳感器采集大氣溫度信號。因為使用駐車加熱器加熱后，雖然冷卻液溫度、進氣溫度等溫度有不同程度的上升，但大氣溫度是不變的。

5.1.2 電控系統軟件控制策略改進

5.1.2.1 改進1

在ECU軟件內增加發動機起動溫度這一中間計算量，來替代冷卻液溫度作為起動控制功能模塊中的進氣預熱MAP、起動噴油量MAP、起動正時MAP和起動軌壓MAP等控制參數圖表的計算輸入量。發動機起動溫度是一個綜合了冷卻液溫度、進氣溫度和大氣溫度的溫度狀態量，如圖4所示。

發動機起動溫度的具體計算策略是：首先取冷卻液溫度和進氣溫度的最小值，并以Tmin表示；然后使用大氣溫度對Tmin進行修正計算，得到最終的發動機起動溫度。修正采用加權計算的方式，修正公式為：

發動機起動溫度=大氣溫度×R+Tmin×（1－R） （1）式中，R是大氣溫度修正的加權系數，且0≤R≤1，R越大代表大氣溫度所占的權重比例越高，該系數按照相應的軟件計算邏輯獲得。

為消除使用駐車加熱器后對冷卻液溫度和進氣溫度的影響，應根據不同的條件，合理標定不同的加權系數R，具體如下：

a. 當大氣溫度高于0°C時，這時一般不需要使用駐車加熱器，不需要進行大氣溫度修正，加權系數R應標定為0。

b. 當Tmin≤大氣溫度＜0°C時，說明此時大氣溫度隨環境溫度變化有一定升高，但發動機冷卻液溫度和進氣溫度的升高有一定滯后 （此時發動機未起動），不需要進行大氣溫度修正，加權系數R也應標定為0。

c. 當大氣溫度低于0°C且小于Tmin時，說明已經使用了駐車加熱器，需要進行大氣溫度修正。大氣溫度與Tmin差值的絕對值越小，說明駐車加熱器對發動機的加熱程度越低，越需要進行大氣溫度修正，加權系數R的標定應越接近于1；大氣溫度與Tmin差值的絕對值越大，說明駐車加熱器對發動機的加熱程度越高，越不需要進行大氣溫度修正，加權系數R的標定應越接近于0。

通過對大氣溫度修正加權系數R的合理標定，可以使發動機起動溫度最大限度地反映使用駐車加熱器后的發動機整體溫度，解決冷卻液溫度無法直接代表發動機整體溫度的問題。

電控系統軟件改進后，起動控制總體策略如圖5所示。

5.1.2.2 改進2

建立發動機ECU和駐車加熱器的工作協調聯系，將駐車加熱器工作開關信號引入發動機ECU，由發動機ECU檢測駐車加熱器的工作狀態，同時在ECU軟件中增加相應的控制策略。當發動機ECU上電之后，如果檢測到駐車加熱器處于工作狀態時，就不再激活進氣預熱器，直到駐車加熱器加熱結束開關關閉時，ECU才開始激活進氣加熱器。

5.2 冷起動優化標定

經過對電控系統軟件和硬件的改進，在此基礎上對大氣溫度修正加權系數R、進氣預熱時間、起動噴油量、起動正時和起動軌壓等各項冷起動控制參數重新進行了優化標定[3]，簡要的冷起動標定流程如圖6所示。

經過優化標定，得到了加裝駐車加熱器的該型柴油機時在不同發動機起動溫度條件下的起動控制參數的最佳值。

6 改進后的柴油機冷起動試驗結果

在表2所列條件下，再次進行了該型柴油機在環境溫度低于－30℃的極端低溫條件下的冷起動試驗。試驗結果表明，發動機可以一次起動成功，著火燃燒后轉速上升速度很快，并且能平滑過渡到怠速穩定運行，整個起動過程時間約在5 s以內，如圖7所示。

進一步的試驗表明，該型柴油機在－41℃的環境溫度條件下也實現了冷起動一次成功，且各項冷起動性能指標良好，與應用改進技術方案之前相比，冷起動性能得到較大提高。

7 結束語

通過大量試驗和分析，研究了裝駐車加熱器后的某型柴油機在極端低溫條件下冷起動困難的原因，并對電控系統的硬件和軟件進行了改進，重新進行了優化標定。試驗結果表明，該技術改進方案非常有效地解決了冷起動困難問題，使駐車加熱器的工作效能得到了充分的發揮，提高了該型柴油機在極端低溫條件下的冷起動性能，為某型特種車輛在高寒地區的環境適應性提供了保障。

1 王云開，于秀敏，梁金廣，等.電控柴油機冷起動過程的控制策略.吉林大學學報，2008（1）：27～31.

2 鐘祥麟，于秀敏，張斌，高繼東，等.高壓共軌柴油機起動過程噴射控制參數的匹配研究.內燃機工程，2008（8）.

3 張京永，楊福源，歐陽明高，等.高壓共軌柴油機起動過程特點與優化方法的研究.內燃機學報，2003（3）：201～206.