張凌露，高李明

（南京依維柯汽車有限公司，江蘇 南京 210028）

PTC發(fā)熱元件在車輛柴油預(yù)熱中的應(yīng)用

張凌露，高李明

（南京依維柯汽車有限公司，江蘇 南京 210028）

PTC柴油預(yù)熱系統(tǒng)的應(yīng)用可以溶解柴油析蠟，改善發(fā)動機(jī)冷起動性能。PTC發(fā)熱元件的選擇和供油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、蓄電池電能消耗有關(guān)，是預(yù)熱系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。本文通過某款車設(shè)計實(shí)例介紹了PTC柴油預(yù)熱系統(tǒng)的設(shè)計思路。

PTC；析蠟；冷起動；柴油預(yù)熱系統(tǒng)

CLC NO.: U464.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)02-73-04

前言

為改善柴油車的冷起動性能，出現(xiàn)了眾多技術(shù)手段，比較常見的是柴油機(jī)低溫預(yù)熱技術(shù)的應(yīng)用，在最低環(huán)境溫度高于-25℃的使用區(qū)域，提高柴油發(fā)動機(jī)進(jìn)氣溫度對改善發(fā)動機(jī)的低溫起動性能有明顯的作用，所以進(jìn)氣預(yù)熱裝置成為柴油車的標(biāo)準(zhǔn)配置。但低溫條件下柴油析蠟和粘度增大現(xiàn)象會造成柴油流通和霧化變差，也是影響發(fā)動機(jī)低溫性能的一個重要因素，在采用進(jìn)氣預(yù)熱措施同時需要配合采用合適的柴油預(yù)熱措施。PTC（正溫度系數(shù)）發(fā)熱材料具有獨(dú)特的自控溫性能，在柴油預(yù)熱中被越來越多采用，但PTC發(fā)熱材料的功率選擇、布置和整車供油系統(tǒng)存在較大關(guān)聯(lián)，在設(shè)計手冊和參考文獻(xiàn)中相關(guān)的設(shè)計指導(dǎo)很少，往往設(shè)計工程師無法入手。本文根據(jù)某款自主開發(fā)車型的設(shè)計開發(fā)實(shí)例，對PTC發(fā)熱元件在柴油加熱中的具體應(yīng)用進(jìn)行介紹。

1、需要柴油預(yù)熱的原因

柴油參數(shù)存在冷濾點(diǎn)和冷凝點(diǎn)兩個不同指標(biāo)，根據(jù)國家公布的柴油標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，低溫環(huán)境使用的柴油冷濾點(diǎn)對應(yīng)溫度值一般高于冷凝點(diǎn)4-6℃，例如標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定0號柴油的冷濾點(diǎn)不高于4℃，冷凝點(diǎn)不高于0℃。

柴油中碳?xì)浠衔锖墟溚闊N，當(dāng)溫度降低到一定程度，會以蠟狀物形式逐漸析出（俗稱析蠟），當(dāng)析出的蠟晶形成網(wǎng)絡(luò)時，會吸附柴油影響流通性。常見故障模式為低溫環(huán)境下使用的車輛暖機(jī)階段或長時間低速運(yùn)行時發(fā)動機(jī)熄火。原因是燃油溫度低于柴油冷濾點(diǎn)后，形成得蠟晶影響柴油的流通性,并且經(jīng)過一段時間的燃油流動，漂浮在油品中的蠟狀物會吸附在濾網(wǎng)上，逐步堆積堵塞濾網(wǎng)孔，造成供油不暢或中斷，引起車輛車速不穩(wěn)或熄火。

近年來天氣變化異常天數(shù)增加，用戶對最低氣溫判斷的難度也明顯增加，同時有些用戶對柴油冷凝點(diǎn)和冷濾點(diǎn)的區(qū)別不清楚，或出于成本考慮會盡量延長高冷凝點(diǎn)的柴油使用時間，如果在環(huán)境溫度處于燃油冷凝點(diǎn)附近，由于低于冷濾點(diǎn)出現(xiàn)析蠟導(dǎo)致低速運(yùn)行時車輛熄火,顯然會引起用戶抱怨.為解決該問題, 車輛生產(chǎn)廠家在采用進(jìn)氣加熱預(yù)熱措施的同時還需要通過適當(dāng)輔助手段提高燃油溫度或燃油冷凝點(diǎn),抑制或防止柴油析蠟。其中采用PTC發(fā)熱元件的柴油電加熱技術(shù)由于具備加裝方便、成本低、控制簡單的特點(diǎn)獲得廣泛推薦。

2、PTC發(fā)熱材料主要特點(diǎn)

柴油電加熱技術(shù)基本原理是通過消耗電能轉(zhuǎn)變成熱能加熱柴油，發(fā)熱元件常見電熱絲、PTC兩種形式。其中PTC材料具備以下明顯特點(diǎn)：

（1）安全性：PTC材料具備自控溫特殊功能，當(dāng)PTC元件施加直流電壓升溫時，在未達(dá)到居里溫度點(diǎn)時它的電阻率基本保持不變或僅有很小變化，而當(dāng)溫度超過材料的居里點(diǎn)溫度后，電阻率會迅速增大，使其電流下降達(dá)到自動控制溫度的目的。該特殊功能對柴油加熱應(yīng)用具備明顯的安全優(yōu)勢。選擇合適的PTC加熱元件，可以保證燃油溫度不會超過沸點(diǎn)，避免了過高溫度下燃油自燃的危險。

（2） 效率高：PTC材料升溫迅速，熱能轉(zhuǎn)換效率高，可以在較短時間內(nèi)提高燃油溫度，和冷起動用途的快速柴油加熱要求相吻合。

（3）布置便捷：PTC加熱元件可以制作多種結(jié)構(gòu)和規(guī)格，可以容易地安裝在散熱金屬體上或直接安置在油路中，通過合理設(shè)計可以和柴油供油系統(tǒng)中的其它部件集成，不影響低壓油路流阻，不改變發(fā)動機(jī)基本結(jié)構(gòu)、不影響系統(tǒng)柴油過濾精度。

（4）控制電路簡單，維修方便：和電熱絲等材料發(fā)熱元件相比省去了復(fù)雜的自動控制溫度的線路，系統(tǒng)控制部分結(jié)構(gòu)簡單。

但和其它電加熱元件一樣，PTC發(fā)熱元件消耗的是整車電能，在低溫環(huán)境下蓄電池能量下降，冗余電量不足，如不正確選擇PTC發(fā)熱元件的用電功率，會導(dǎo)致起動前過多消耗蓄電池能量，反而會惡化起動條件。

3、PTC柴油加熱開發(fā)實(shí)例介紹

3.1 某款柴油輕客供油系統(tǒng)如下圖

柴油供油系統(tǒng)如上圖所示，由油箱、輸油泵、油水分離器（初濾）、主柴濾（精濾）、高壓油泵、共軌管、噴油嘴、輸送油管等部件組成。

燃油循環(huán)路徑為：在電動泵的作用下，集成在油量傳感器的回油腔中的柴油通過吸油(輸出)油管輸出，經(jīng)過兩級過濾到達(dá)高壓油泵，在高壓油泵的推送下，進(jìn)入共軌管中，在發(fā)動機(jī)未起動時，由于高壓油泵也尚未運(yùn)行，燃油通過高壓油泵泵體的泄流口回到油箱，而在發(fā)動機(jī)起動或運(yùn)行后，共軌管中的燃油一部分被噴油器噴出做功消耗，一部分回流到油箱中的回油腔。回油腔留有小開口和油箱中的柴油相通，保證發(fā)動機(jī)運(yùn)行時噴油器消耗的部分得到及時補(bǔ)充。

3.2 PTC發(fā)熱元件布置

在PTC發(fā)熱元件用于加熱柴油的系統(tǒng)中, 由于PTC發(fā)熱材料具有對外絕緣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),可以方便的放置在油路中直接加熱柴油，常見的布置可以放置在油箱中、管路中和濾清器中，不同地點(diǎn)的布置方式?jīng)Q定的系統(tǒng)的復(fù)雜性和維修性高低?？紤]到預(yù)熱過程加熱的對象主要是供油回路系統(tǒng)內(nèi)的燃油，而且低溫析蠟影響油路流通性的最主要原因是堵塞濾網(wǎng)，因此發(fā)熱元件應(yīng)該靠近濾網(wǎng)處進(jìn)行布置。本實(shí)例的供油系統(tǒng)共有三處濾網(wǎng)，分別為油量傳感器集成一起的出油管濾網(wǎng)、油水分離器濾網(wǎng)、主柴濾濾網(wǎng)，其中主柴濾和油水分離器濾網(wǎng)網(wǎng)孔相對較密，堵塞的風(fēng)險較大，在柴油濾清器裝置中集成PTC發(fā)熱元件相對其它地方布置容易實(shí)現(xiàn)，而且發(fā)熱元件靠濾網(wǎng)近，預(yù)熱效果好。

濾清器中的PTC加熱元件的布置，是利用濾清器進(jìn)出油管處的上蓋本體的內(nèi)腔空間（如圖3所示），將硬幣狀圓形陶瓷發(fā)熱元件兩個電極和上下金屬散熱導(dǎo)電片緊密連接（該散熱導(dǎo)電片同時起散熱和導(dǎo)電的作用）。既不影響回路流阻，PTC加熱元件的熱傳遞也直接作用于濾網(wǎng)，迅速加熱低溫時濾網(wǎng)上凝固的油品，起到溶解析蠟、降低油品粘度、提高流通性的目的。

3.3 柴油預(yù)熱系統(tǒng)工作流程

柴油預(yù)熱系統(tǒng)和格柵進(jìn)氣預(yù)熱系統(tǒng)組合共同構(gòu)成發(fā)動機(jī)預(yù)熱系統(tǒng)。當(dāng)接通點(diǎn)火開關(guān)，發(fā)動機(jī)ECU檢測到環(huán)境溫度低于5℃,發(fā)動機(jī)預(yù)熱程序開始運(yùn)行（發(fā)動機(jī)預(yù)熱過程一般按照進(jìn)氣預(yù)熱系統(tǒng)工作流程分為前預(yù)熱--等待起動--起動--后預(yù)熱等步驟），同步開始工作的柴油預(yù)熱流程如下：

和進(jìn)氣預(yù)熱系統(tǒng)同時啟動，在進(jìn)氣預(yù)熱格柵電源接通時，發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)也向柴油預(yù)熱系統(tǒng)的PTC元件、電動泵開始供電，對供油回路中的柴油預(yù)熱,并繼續(xù)保持通電到柴油溫度達(dá)到5℃，停止PTC元件供電，柴油預(yù)熱退出運(yùn)行。

如果在格柵前預(yù)熱時間（和環(huán)境溫度存在對應(yīng)關(guān)系，最長25秒）后的20秒內(nèi)(等待點(diǎn)火時段)，ECU未接收到來自點(diǎn)火開關(guān)的起動信號，或第一次起動不成功，從用電平衡考慮，斷開PTC和電動泵電源供應(yīng)，等待第二次預(yù)熱啟動。

3.4 PTC發(fā)熱元件功率選擇

正確選擇柴油預(yù)熱系統(tǒng)需要的PTC元件的功率是該技術(shù)運(yùn)用的關(guān)鍵，其功率值的大小取決于希望得到的被加熱柴油的溫升速率和蓄電池電能消耗，具體介紹如下：

根據(jù)熱學(xué)公式：QPTC+Q回油=Q油品+Q環(huán)境

其中 QPTC為PTC發(fā)熱元件發(fā)出的熱量，Q回油為發(fā)動機(jī)運(yùn)行后，吸收了發(fā)動機(jī)散熱后溫度升高了的回油對供油循環(huán)系統(tǒng)加熱的貢獻(xiàn)，Q油品為被加熱柴油吸收的熱量，Q環(huán)境為供油系統(tǒng)部件表面向環(huán)境散失的熱量。

發(fā)動機(jī)預(yù)熱階段發(fā)動機(jī)溫升還不高，回油對供油回路的油溫上升貢獻(xiàn)不大，理論推算時不計入這部分熱量增量選擇出的PTC元件功率值對獲得期望的溫升速率更有利，因此簡化熱平衡公式為：

為正確選擇PTC元件參數(shù)，首先要確定預(yù)熱階段被加熱燃油期望得到的溫升速率，該溫升速率是燃油預(yù)熱系統(tǒng)設(shè)計的一個重要參數(shù)，數(shù)值越大決定了選擇的PTC功率越大，容易造成蓄電池虧電，反過來該溫升速率如偏小，預(yù)熱效果差，嚴(yán)重時甚至?xí)鸩坏奖苊廛囕v熄火的目的。根據(jù)對進(jìn)口對標(biāo)車型的低溫試驗測量結(jié)果，該溫升速率為6℃/分。在實(shí)際使用中：

（1）未加裝柴油預(yù)熱車輛的售后質(zhì)量信息顯示，一般故障發(fā)生在發(fā)動機(jī)起動后怠速運(yùn)行一分鐘以后；

（2）低溫時使用的柴油冷濾點(diǎn)溫度一般比冷凝點(diǎn)高4-6℃，基于保證冷凝點(diǎn)環(huán)境溫度附近車輛正常使用的設(shè)計輸入前提，由于在發(fā)動機(jī)起動前燃油預(yù)熱系統(tǒng)已經(jīng)過發(fā)動機(jī)前預(yù)熱、等待起動、起動三個時間段的持續(xù)工作，當(dāng)再持續(xù)加熱到發(fā)動機(jī)起動后一分鐘時，燃油的加熱時間一定超過一分鐘，如果按照溫升率6℃/分推算，被加熱燃油的溫度理論上已上升6℃,越過了冷濾點(diǎn),可以避免析蠟影響供油的流通性, 因此設(shè)定燃油預(yù)熱系統(tǒng)的溫升速率為6℃/分，具備合理性，本實(shí)例將該數(shù)值設(shè)定為系統(tǒng)設(shè)計的目標(biāo)值并基于該目標(biāo)值展開PTC元件的功率計算如下:

預(yù)熱過程加熱的柴油和供油回路的結(jié)構(gòu)存在密切關(guān)系，本舉例車型的供油系統(tǒng)回油口和出油口都集中在柴油傳感器底部的回油腔,回油腔與油箱相通的開口補(bǔ)充發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程消耗的油量, 大部分供油系統(tǒng)內(nèi)燃油在系統(tǒng)管路內(nèi)循環(huán)運(yùn)行，考慮到預(yù)熱階段的前期柴油噴射消耗量遠(yuǎn)小于供油循環(huán)油路內(nèi)的總油量, 所以可以近似認(rèn)為PTC元件通電發(fā)出的熱量除了一部份對環(huán)境散失，主要用于加熱燃油循環(huán)系統(tǒng)(包括濾清器、輸送管路(含共軌管)、油箱內(nèi)回油腔)內(nèi)的柴油。

本實(shí)例燃油循環(huán)系統(tǒng)各部件的有效容積和表面積分別計算結(jié)果如下：

油管 油水分離器 主柴濾 回油腔 總計體積（cm3） 245 1000 700 300 2245散熱面積（m2） 0.12 0.05 0.035 0.015 0.22

供油循環(huán)系統(tǒng)系統(tǒng)總?cè)莘e：2245 cm3

取柴油密度850 kg/m3

則可以推算出供油系統(tǒng)柴油總質(zhì)量m為：

m=850*2245*10-6=1.908 kg

質(zhì)量為m的柴油溫升t℃的吸熱量公式為: Q油品=cmt

其中c為柴油比熱，由于柴油是一種混合化合物，具體的柴油比熱一般需要通過測定才能知曉，不同產(chǎn)地和工藝的油品比熱數(shù)值不盡相同，不同的環(huán)境溫度下也需要進(jìn)行溫度修正，一般數(shù)值在一點(diǎn)幾到二點(diǎn)一之間，為兼顧這種差異，在預(yù)熱應(yīng)用方案設(shè)計中建議選擇2.1 kj/（kg.℃）按預(yù)熱最初階段油溫從冷凝點(diǎn)升高到冷濾點(diǎn)以上為計算時段,選取t=6℃.計算出質(zhì)量為m的柴油溫度提升6℃的吸熱量:

同時，燃油循環(huán)系統(tǒng)部件的表面向環(huán)境散失熱量,該散失熱量值與散熱面積、被加熱燃油與環(huán)境的溫度差、升溫時間長短有關(guān)，計算公式為: Q環(huán)境=hTF△t

其中h為對流換熱系數(shù)：取h=5w/（m2.℃）

T為供油系統(tǒng)部件總的散熱表面積，本例為0.22 m2

F為油溫相對環(huán)境溫度的差值，盡管在加熱的最后時刻油品才可能提高到最終溫度差，但從設(shè)計安全性考慮仍以最終值計入，因此按前面假設(shè)要求取6℃。

△t為油溫上升6℃的加熱時間，按照目標(biāo)溫升速率6℃/分的要求，△t是一分鐘。代入公式可以得到：一分鐘內(nèi)供油系統(tǒng)部件表面散失的熱量為：

Application of PTC Heating Element in Vehicle Pre-heating System

Zhang Linglu, Gao Liming
(Nanjing Iveco Motor Company Ltd, Jiangsu Nanjing 210028)

The PTC diesel preheating system can dissolve vax deposition and improve the engine cold start performance. The choice of PTC heating elements is related to the structure of diesel supply system and the power consumption of battery, taking an essential role in the design of the preheating system. By analyzing the original design of a vehicle, the article introduces the design idea of the PTC diesel preheating system.

PTC；Vax deposition；Cold star；Diesel preheating system.

U464.3

A

1671-7988(2015)02-73-04

張凌露，高級工程師，就職于南京依維柯汽車有限公司產(chǎn)品工程部，從事汽車電子電器設(shè)計工作。