發(fā)動機電加熱器件選型以及布置設(shè)計

馮云庚，張艷玲，高芳芳

（1.上海埃維汽車技術(shù)股份有限公司，上海 201204；2.山東協(xié)和學(xué)院機電工程學(xué)院，山東 濟南，250107）

發(fā)動機電加熱器件選型以及布置設(shè)計

馮云庚1，張艷玲2，高芳芳2

（1.上海埃維汽車技術(shù)股份有限公司，上海 201204；2.山東協(xié)和學(xué)院機電工程學(xué)院，山東 濟南，250107）

介紹如何設(shè)計選擇電加熱催化器系統(tǒng)中的輔助蓄電池、大電流繼電器、熔斷絲、導(dǎo)線等元器件，并進(jìn)行線路原理圖設(shè)計。根據(jù)汽車環(huán)境及元器件安裝要求進(jìn)行位置設(shè)計，旨在說明設(shè)計電氣系統(tǒng)的一種思路。

發(fā)動機；電加熱器；選型；布置設(shè)計

發(fā)動機排氣溫度在冷起動的怠速階段25 s時溫度才能達(dá)到250℃。升溫慢，導(dǎo)致催化轉(zhuǎn)化器起燃時間過晚，整車排放不能滿足整車歐Ⅴ要求。根據(jù)新歐洲駕駛循環(huán)和FTP-75循環(huán)測試，冷起動前200 s，排放的CO和HC可占總排放的60%～80%，因而在城市的短距離運行中，減少冷起動排放，可以顯著地減少發(fā)動機的總排放。隨著各國排放限值的日益嚴(yán)格，解決冷起動排放的研究也非?；钴S。各大廠商通過增加二次空氣噴射和電加熱催化器來降低怠速和冷態(tài)排放尾氣中HC/CO的含量。

1 二次空氣噴射系統(tǒng)

發(fā)動機ECU根據(jù)冷卻液溫度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器的信號，確定發(fā)動機是否處于冷態(tài)和怠速運轉(zhuǎn)。ECU發(fā)出指令控制二次空氣電動泵工作，并控制二次空氣電磁閥開啟，使電動泵排出的空氣噴入排氣歧管口，將未燃燒的大部分HC在排氣歧管中重新點燃燃燒，以此降低廢氣排放。其執(zhí)行情況由氧傳感器反饋ECU監(jiān)測，當(dāng)發(fā)動機達(dá)到正常工作溫度時，二次空氣噴射停止工作。

1.1 二次空氣系統(tǒng)

二次空氣系統(tǒng)工作示意圖如圖1所示。

圖1 二次空氣系統(tǒng)工作示意圖

1.2 分類

按其空氣噴入的部位分為2類：第1類，新鮮空氣被噴入排氣歧管的基部，即排氣歧管與氣缸體相連接的部位，因此，排氣中的HC、CO只能從排氣歧管開始被氧化；第2類，新鮮空氣通過氣缸蓋上的專設(shè)管道噴入排氣門后氣缸蓋內(nèi)的排氣通道內(nèi)，可以使排氣中HC、CO的混合物更早進(jìn)行氧化。

單純增加二次空氣噴射系統(tǒng)，試驗證明，效果不佳。技術(shù)人員提出了加熱催化器的方法降低排放。以下就電加熱催化器方法，重點探討。

2 電加熱催化轉(zhuǎn)化器

冷起動階段，催化轉(zhuǎn)化器的溫度低，尚未達(dá)到催化器工作的設(shè)定溫度，這一階段排出的尾氣基本上沒有經(jīng)過凈化。電加熱就是在催化器內(nèi)增加電熱絲，發(fā)動機未起動前，通過釋放蓄電池能量，把催化器加熱到適當(dāng)?shù)臏囟龋_(dá)到催化轉(zhuǎn)化器的溫度，再進(jìn)行冷起動，這樣就能很好地降低排放的CO和HC，從而達(dá)到排放要求。

2.1 電加熱的基本原理

保持催化器的位置不變，通過電加熱的方式對催化器進(jìn)行前處理，使催化器在較低的排放溫度時就起到催化作用，電加熱催化器一般要求1～2 kW能量在20～40 s的時間內(nèi)就可減少發(fā)動機的冷起動排放。

電加熱一般采用電熱絲，但是電加熱的功率很大，耗能很多。如果單純靠一塊蓄電池提供能量，加熱完成后，可能導(dǎo)致車輛無法起動。初步考慮增加輔助蓄電池，專門用于電加熱。

2.2 電加熱系統(tǒng)組成部件

電加熱系統(tǒng)由輔助蓄電池、大電流繼電器、熔斷絲、電加熱器（集成于催化轉(zhuǎn)化器）、導(dǎo)線、電加熱器控制（集成于發(fā)動機ECU）組成。

2.3 具體方案設(shè)計

2.3.1 電加熱電路原理的設(shè)計

2.3.1.1 輔助蓄電池選擇

輔助蓄電池專門用于催化轉(zhuǎn)換電加熱使用。輔助電池容量選取太大，不但造成能量浪費，成本相應(yīng)增加，質(zhì)量體積也會相應(yīng)增大，給蓄電池布置增加難度；容量選取太小，會使加熱效果差，達(dá)不到降低排放的效果。因此輔助蓄電池的選取至關(guān)重要。

2.3.1.2 輔助蓄電池種類、容量

要求：蓄電池要求放電電流大，放電迅速，鉛酸啟動型電池在短時間內(nèi)可提供強大的電流，內(nèi)阻小，價格低。所以初步選取鉛酸蓄電池作為輔助電池。

1）容量選?。盒铍姵氐娜萘渴侵冈谠试S的放電條件下所輸出的電量。根據(jù)

式中：Q——蓄電池的容量，Ah；I——蓄電池的放電電流，A；t——蓄電池的放電時間，h，要求放電20～40 s，取40 s。

式中：P——電加熱器的額定功率，1 200 W；U0——額定電壓，U0=12 V；U1——電加熱器的工作電壓，12.5 V；I1——電加熱器的實際電流。

由式（2）得出I1=105 A。

由于電路上有電阻及蓄電池有內(nèi)阻存在，故蓄電池的放電電流應(yīng)該大于電加熱器的電流，即I＞I1=105 A ，所以蓄電池的容量大于該溫度下蓄電池的放電容量，即Q=I×t＞I1×t，Q＞105電池的容量大于該溫度下蓄電池的放電容量。

2）蓄電池的容量與放電電流、放電終止電壓以及電解液溫度有關(guān)。冷起動時，放電深度按20%計算，則Q＞1.2/0.2=6 Ah。

3）輔助蓄電池參數(shù)：鉛酸蓄電池標(biāo)稱電壓12 V，標(biāo)稱容量6 Ah，輸出最大電壓12.5 V。

由2）可知，電加熱器的工作電流105 A，電流很大，普通開關(guān)無法直接控制，根據(jù)設(shè)計需求，必須加裝繼電器。

2.3.1.3 加裝繼電器

1）繼電器選擇。汽車電源電壓等級一般12 V，要求線圈工作電壓12 V，觸點長時間工作電流100 A，最大電流≥100 A。一般布置在發(fā)動機艙，環(huán)境溫度選80 ℃。

2）廠家提供的大電流繼電器資料如圖2～圖6所示。

圖2 繼電器概述

圖3 觸點參數(shù)

3）根據(jù)以上資料，我們初步選擇V23132-A2001-A2。

2.3.1.4 選擇熔斷絲

根據(jù)負(fù)載類型為電阻性負(fù)載，一般選擇快熔型熔斷絲。因負(fù)載電流為105 A，大于100 A的快熔型熔斷絲不存在，故選取JASO或MIDI慢熔絲。

圖4 線圈參數(shù)

圖5 端子功能

圖6 產(chǎn)品型號構(gòu)成

1）根據(jù)經(jīng)驗公式熔斷器的值≥負(fù)載電流值/熔斷器負(fù)載余量率/溫度修正系數(shù)，求得I=105/50%/［（1+（40-25）×（-0.14%/℃） ］=215 A，所以選250 A。

注：①負(fù)載余量率：快熔熔斷器75%，慢熔熔斷器50%；②溫度修正系數(shù)=1+（T-25℃）×溫度折減速率，快熔熔斷絲為-0.15%/℃，慢熔熔斷絲為-0.14%/℃。

2）根據(jù)公式If=In/（RR×A）

式中：If——熔斷絲的理想容量值；In——負(fù)載的計算電流值；RR——環(huán)境溫度修正系數(shù)，不同類型的熔斷絲系數(shù)不同，具體參照熔斷絲選型數(shù)據(jù)庫；A——常數(shù)，小電流0.75，大電流0.5；RR按0.92。

代入公式If=105/（0.5×0.98）=215，所以選250 A。

由以上2種方法，求出熔斷絲容量250 A。

3）熔斷絲規(guī)格： JASO或MIDI，250 A。

2.3.1.5 導(dǎo)線選擇

導(dǎo)線選擇包括導(dǎo)線種類和線徑選擇計算。

1）種類選擇：一般選擇德標(biāo)線、日標(biāo)線、國標(biāo)線，優(yōu)先選用德標(biāo)線。

2）線徑選擇：根據(jù)導(dǎo)線允許電流=導(dǎo)線周圍溫度允許電流×線束減低系數(shù)，線束減低系數(shù)與連續(xù)通電導(dǎo)線根數(shù)有關(guān)，非連續(xù)通電電源線以及信號線除外，具體見表1。

表1 集束線束容許電流縮減系數(shù)

3）根據(jù)經(jīng)驗公式I=（10S+8）/2

式中：I——導(dǎo)線中通過的電流；S——導(dǎo)線截面積。

得S=（2I-8）/10，代入I=105，S=20.2，選取S=25。

4）驗證：電加熱有正極和負(fù)極2根，故線束減低系數(shù)取0.8。

因為在冷起動階段，環(huán)境溫度為40 ℃，查表該溫度下，電源線25 mm2最大電流170 A，導(dǎo)線允許電流=170×0.8=136 A。

熔斷器在該溫度下，最適電流=250×0.5×0.98=122.5 A。136A＞122.5 A。

5）線徑初選25 mm2。

6）導(dǎo)線選德標(biāo)FL7Y，耐熱等級150 ℃，線徑25 mm2。

2.3.1.6 電加熱特殊端子選擇

因加熱電流較大，電加熱器正極極柱為特殊形狀（帶一定錐度）如圖7所示，需要增大端子接觸面積，增加散熱，優(yōu)先選用電加熱器廠家推薦的對接端子。廠家提供的端子大體形狀如圖8所示。

圖7 端子尺寸

端子與線束壓接完成后，根據(jù)所處的濕熱環(huán)境，要注膠并用熱縮管處理端子與線束連接處。

2.3.1.7 電加熱電路原理設(shè)計

電加熱器由發(fā)動機控制單元ECU控制繼電器線圈吸合與斷開，從而控制電加熱器加熱開始與中斷。當(dāng)發(fā)動機ECU檢測到水溫傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、氧傳感器等信號滿足條件時，自動拉低繼電器線圈電位，使繼電器吸合，觸點閉合，電加熱回路接通，電加熱器開始工作。當(dāng)電加熱器工作一段時間后，水溫轉(zhuǎn)速、催化器溫度達(dá)到設(shè)定條件，發(fā)動機ECU控制繼電器線圈斷開，繼電器觸點斷開，電加熱器停止工作。電加熱器工作原理如圖9所示。

圖8 端子形狀

圖9 電加熱器工作原理圖

3 電加熱器系統(tǒng)布置設(shè)計

3.1 電加熱器的位置布置

電加熱器采用德國大陸集團原裝進(jìn)口件，結(jié)構(gòu)簡圖如圖10所示。

電加熱器的作用是加熱催化轉(zhuǎn)化器，使催化器在冷啟動階段最快到達(dá)工作溫度，催化器安裝在催化器內(nèi)部，固定不動。電加熱器在催化器內(nèi)安裝簡圖如圖11所示。

電加熱器外部形狀和催化器內(nèi)部結(jié)構(gòu)相同，正極接柱從轉(zhuǎn)化器伸出，外殼靠3處卡腳卡住。安裝必須固定牢靠，無上下竄動。

3.2 熔斷絲的位置設(shè)計

熔斷絲的位置設(shè)計優(yōu)先考慮在機艙熔斷絲盒內(nèi)，這樣固定牢靠，易于維修更換，整車的改動量小。

3.3 繼電器位置的設(shè)計

大電流繼電器示意圖如圖12所示。

圖10 電加熱器結(jié)構(gòu)簡圖

圖11 電加熱器在催化器內(nèi)安裝簡圖

布置要求：固定牢靠，防塵，防水，距離電源、熔斷絲及電加熱器電器件盡可能近，以節(jié)省導(dǎo)線，降低導(dǎo)線壓降，減少電線發(fā)熱，提高線束壽命。

3.4 連接線束布置設(shè)計

線束盡可能短，遠(yuǎn)離熱源，固定牢固，防潮，防水，端子與線束連接處涂膠防水處理。

3.5 整體布置設(shè)計

連接線束整體布置如圖13所示。

圖12 大電流繼電器示意圖

圖13 電加熱器整車布置

4 裝車驗證

經(jīng)過裝車多輪測試，冷起動及怠速階段，尾氣中的CH和CO 含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于未安裝電加熱的車輛，達(dá)到了國VI的排放要求，證實了該電加熱的布置設(shè)計、電子器件選型方案是成功的。經(jīng)多輪測試，保證了可靠性。

［1］ 長春汽車研究所.汽車設(shè)計手冊 車身·非金屬·電器卷［M］.長春：長春汽車研究所，1998.

［2］ 王宇.汽車電線束與熔斷器匹配設(shè)計［J］.汽車電器，2015（4）：6-13.

［3］ 李軍.汽車線束導(dǎo)線的選用研究［J］.汽車電器，2015（4）：14-16.

［4］ 泰克電子產(chǎn)品手冊［Z］.

［5］ 太平洋精工株式會社.保險絲選定基準(zhǔn)［Z］.

［6］ 力特產(chǎn)品手冊［Z］.

Selection and Layout Design of Engine Electric Heater

FENG Yun-geng1，ZHANG Yan-ling2，GAO Fang-fang2
（1. Shanghai Avi Automotive Technology Limited Company，Shanghai 201204；2. School of mechanical and electrical engineering，Shandong Xiehe College，Jinan 250107，China）

We focus on how to design and select the auxiliary battery，large current relay，fuse，wire and other components in the electric heating system. And we design the line diagram. Position design is based on the automotive environment and component installation requirements. Main purpose is to introduce a way of thinking in electrical system design.

engine；electric heater；type selection；layout design

U463.6

A

1003-8639（2017）11-0033-04

2016-12-21

馮云庚（1982-），男，主管工程師，現(xiàn)主要從事電動汽車三電匹配及其空調(diào)設(shè)計匹配工作；張艷玲（1981-），女，山東菏澤人，工程師，講師，碩士，主要從事混凝土機械設(shè)備的電氣設(shè)計與研究及新能源汽車電氣設(shè)計與研究工作。

（編輯 楊 景）