E100乙醇發動機電加熱噴油器冷啟動控制策略

胡俊 勇李杰 王先瑞 楊越

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心）

目前環境污染越來越嚴重，排放法規日趨嚴格，汽車行業都在積極尋找新的替代燃料，乙醇具有很好的再生性，在汽車行業內形成了巨大的乙醇燃料車市場[1]。當前汽車行業內普遍使用的乙醇汽油燃料中，乙醇的混合比例為E0～E85（乙醇體積占比0～85%）。隨著醇摻合率的增加，E85～E100乙醇燃料相對于汽油發動機，其汽化潛熱增大[2]，特別是在低溫下更難以揮發[3]。又由于在低溫啟動過程中，會降低進氣道與缸內溫度，因此會造成發動機冷啟動困難[4-5]。因此文章將基于電加熱噴油器對提高E100乙醇燃料發動機冷啟動性能進行研究和設計。

1 電加熱噴油器系統結構與原理

1.1 電加熱噴油器系統結構

該系統的技術重點是基于德爾福公司前端部加熱型的3.5HT MultecR多口燃油噴射技術的噴油器。噴油器前端部的設計采用了厚膜電阻，電阻包裹在噴射機構外面，如圖1所示。在E100乙醇發動機冷啟動階段，噴油器加熱電阻通電，加熱電阻對流過噴油器的燃料進行對流加熱，E100乙醇燃料被加熱后噴射入進氣歧管，高溫乙醇揮發性強，可實現快速啟動。

圖1 電加熱噴油器結構圖

1.2 電加熱噴油器系統工作原理

電加熱噴油器系統工作原理圖，如圖2所示。

圖2 電加熱噴油器系統工作原理圖

脈沖寬度調制（PWM）加熱模塊接收發動機控制單元（ECU）的PWM信號，用于控制噴油器電阻中的電流大小，從而控制噴油器燃油加熱溫度；加熱控制繼電器用于對加熱線路進行短路保護，當噴油器與電池正極短路時，繼電器可以通過切斷與地之間的線路連接，從而保護噴油器；智能發電機在啟動過程中通過ECU關閉發電機的發電功能，減小發動機扭矩損耗，縮短冷啟動時間；儀表增加預熱指示燈，根據E100乙醇電加熱噴油器的預熱邏輯，啟動前對噴油器進行短時間預熱，預熱時提醒駕駛員預熱過程中，不可啟動汽車；啟動機接入ECU，使得發動機的啟動功能受ECU控制，在噴油器預熱完畢后才允許啟動汽車；燃油液位傳感器信號接入ECU，ECU根據燃油液位的消耗量以及空燃比判斷乙醇汽油中的乙醇比例，根據不同的乙醇比例，采用不同的加熱時間保證冷啟動性能。

ECU向PWM模塊發送PWM信號，通過控制不同的脈沖寬度和時間，控制流經電加熱噴油器的電流來控制加熱溫度；同時ECU可以根據PWM模塊的電壓反饋信號得到流經負載的電流，根據此信號可對加熱回路進行閉環控制，以此控制噴油器的加熱溫度。

2 電加熱噴油器控制電路

文章以某1.5 L E100乙醇燃料發動機為研究對象，通過優化電路設計，實現電加熱器的加熱、通斷及線路保護等功能。圖3示出E100乙醇燃料發動機電加熱噴油器電路圖。

圖3 E100乙醇燃料發動機電加熱噴油器電路圖

3 電加熱噴油器冷啟動控制策略

該系統需要在發動機啟動前對電加熱噴油器進行加熱，以保證發動機良好的冷啟動性能，或是在發動機的啟動過程中進行加熱以縮短啟動時間。在發動機啟動過程中需要根據不同的啟動階段準備控制電加熱噴油器的加熱溫度，保證E100乙醇燃料的溫度可以滿足冷啟動要求，并盡可能地縮短啟動時間。

3.1 電加熱噴油器加熱溫度計算

近似認為噴油器電阻估算溫度與噴油器溫度相等，可以通過以下公式計算出當前噴油器溫度。

式中：UHeater——電加熱噴油器電壓，V；

U——線路總電壓，V；

UWire——導線電壓，V；

RHeater——電加熱噴油器電阻，Ω；

I——線路總電流，A；

T，T0——噴油器電阻估算溫度、額定溫度，℃；

R0——在額定溫度（T0）下的額定電阻，Ω；

R——根據分壓計算的電阻，Ω；

α——導體的電阻系數。

3.2 電加熱噴油器冷啟動加熱過程分析

由于噴油器與燃料熱交換需要一定的時間，因此加熱型噴油器在冷啟動階段，首先要對噴油器進行預加熱，這樣在啟動過程中，可以保證噴射出高溫乙醇，從而縮短啟動時間。

階段1：ECU根據水溫向PWM模塊輸出100%占空比，使得電加熱噴油器進入全功率加熱狀態，此時噴油器加熱膜溫度迅速升高。

階段2：ECU通過反饋電壓采用PID調整脈寬占空比進入電加熱噴油器溫度閉環控制階段，保持電加熱噴油器在設定的溫度點。此過程中，熱量從電加熱噴油器傳遞到噴油器中的乙醇燃料，完成大量熱交換，在噴油器中的乙醇燃料溫度逐漸升高，并逐漸接近目標溫度設定值。

階段3：ECU通過降低脈寬占空比，降低噴油器的溫度向乙醇燃料溫度目標設定值靠近，使得乙醇燃料散熱與電加熱噴油器加熱之間的熱交換達到熱平衡點。

階段4：乙醇燃料溫度達到熱平衡點后，系統進入燃油溫度保持階段，等待發動機啟動。此時ECU通過較小的脈寬占空比維持乙醇燃料的溫度。

階段5：當啟動機拖動發動機啟動后，乙醇燃料從噴油器噴入氣道內，并帶走一部分熱量，隨后進入噴油器內的乙醇燃料溫度下降，此時ECU向PWM模塊輸出100%占空比信號，全功率加熱流經噴油器的乙醇燃料，提高乙醇燃料溫度，從而提高冷啟動性能。當發動機啟動成功后，ECU降低向PWM模塊輸出的占空比，進入怠速模式。

3.3 控制策略邏輯

實現電加熱噴油器的控制策略邏輯，需要根據發動機水溫進行判斷，控制策略流程，如圖4所示。

圖4 電加熱噴油器控制策略流程圖

4 實車測試

根據文章提出的控制電路與控制策略，對該1.5 L E100乙醇燃料發動機冷啟動策略進行應用與優化，設計驗證方案，驗證實際的E100乙醇燃料冷啟動效果。

為確保汽車在水溫為-5℃及以上溫度點一次啟動成功，啟動時間滿足開發目標，分別測試-5，0，5，10，15℃發動機水溫下的冷啟動時間。將汽車裝上熱電偶、線氧及ES410等開發工具，放入冷庫進行冷啟動標定。試驗結果，如圖5所示。

圖5 發動機不同溫度下冷啟動驗證結果

試驗車發動機在水溫 -5，0，5，10，15 ℃及以上溫度點一次啟動成功，啟動時間分別為2.3，1.9，1.8，1.5，1.2 s，隨著發動機溫度的上升，冷啟動時間逐漸縮短，冷啟動性能得到了明顯的改善。

5 結論

文章考察了不同溫度下電加熱噴油器系統的冷啟動性能。從試驗結果可看出，隨著溫度升高，預熱時間縮短，冷啟動時間縮短；試驗中隨著溫度上升，PWM加熱占空比有所下降，發動機怠速趨于穩定。5℃以上的溫度已接近汽油發動機的水平。在排放日益嚴格的大趨勢下，可替代燃料必將是未來研究與發展的方向。該技術方案對于乙醇燃料的推廣有著較重要的價值。