楊　坤,董秀輝,王　杰,唐玉強,武　哲

(1.山東理工大學 交通與車輛工程學院，山東 淄博 255049；2.中國第一汽車股份有限公司 技術中心，吉林 長春 130011；3.一汽解放青島汽車有限公司，山東 青島 266043)

?

某重型商用車冷起動試驗

楊坤1,董秀輝2,王杰1,唐玉強3,武哲1

(1.山東理工大學 交通與車輛工程學院，山東 淄博 255049；2.中國第一汽車股份有限公司 技術中心，吉林 長春 130011；3.一汽解放青島汽車有限公司，山東 青島 266043)

針對某重型商用車冷起動試驗數(shù)據(jù)采集不同步、試驗效率低、后續(xù)數(shù)據(jù)分析困難且不宜保存的技術現(xiàn)狀，提出了商用車冷起動試驗數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)方案，搭建了整車冷起動測試平臺。并以該平臺為基礎，針對某重型商用車冷起動過程中存在的-35 ℃左右起動困難，低溫起動過程中油耗及排放過高的問題，開展了-25～-35 ℃的冷起動試驗。采集了多個溫度下的冷起動試驗數(shù)據(jù)，并基于試驗結果，以溫度為門限，通過對燃油加熱器的控制，優(yōu)化了目標商用車冷起動控制策略。通過為期1年的用戶實驗，驗證了優(yōu)化策略的有效性以及該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實用性。

重型商用車；冷起動；數(shù)據(jù)采集分析；整車試驗

0　引言

冷起動性能是重型商用車的一個重要指標[1-3]。重型商用車的工作區(qū)域跨度非常大，如果不進行專項冷起動匹配試驗，將會嚴重影響其在中國北方地區(qū)冬季(-20 ℃以下環(huán)境)的使用[3-5]。發(fā)動機的冷起動特性對整車可靠性的影響非常大，在-18 ℃條件下，強行起動1次，發(fā)動機氣缸的磨損量相當于車輛行駛200 km左右的磨損量[6]。而且，車用發(fā)動機的排放法規(guī)越來越嚴苛[7]，排放測試表明：大部分碳氫化合物、一氧化碳及顆粒物都是在冷起動過程中產(chǎn)生的[8-11]。

本文研究對象為某配置8.6 L發(fā)動機、直驅(qū)起動機、法蘭式空氣預熱系統(tǒng)和燃油加熱器的重型商用車，其整車冷起動系統(tǒng)滿足相關企業(yè)標準。但根據(jù)用戶反饋，該重型商用車在-35 ℃左右起動困難，存在低溫起動油耗過高的現(xiàn)象。同時，企業(yè)市場部門反饋該類型的商用車市場競爭激烈，對整車成本十分敏感。因此，必須在兼顧成本要求的前提下解決整車冷起動問題。目前，中國整車廠冷起動試驗存在如下問題：主要通過主觀試驗驗證冷起動是否成功，且無統(tǒng)一的標準；相關總成特性數(shù)據(jù)采集不同步，試驗效率低，后續(xù)分析困難且不宜保存，因而數(shù)據(jù)積累困難且很難對冷起動系統(tǒng)開展精細設計。因此，本文開發(fā)了一套針對商用車冷起動試驗的數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，并進行了試驗，基于試驗結果，以溫度為門限，通過對燃油加熱器的控制，優(yōu)化了目標車型冷起動策略，驗證了該平臺的實用性。

1　整車冷起動檢測系統(tǒng)原理

本文提出的整車冷起動檢測系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、軟硬件濾波、數(shù)據(jù)處理和結果輸出4個部分。其中，軟硬件濾波部分和結果輸出部分均采用了現(xiàn)有成熟技術[12-14]，因此，本文重點介紹數(shù)據(jù)采集部分和數(shù)據(jù)處理部分。

1.1數(shù)據(jù)采集

根據(jù)汽車起動系統(tǒng)的工作原理[15-16]，本文設計了如下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：

(Ⅰ)蓄電池正負極電勢，主要用于考核蓄電池電壓降，再結合電流，即可核算出蓄電池內(nèi)阻，從而綜合判斷蓄電池性能能否滿足整車冷起動需求，并得到蓄電池低溫阻抗特性。

(Ⅲ)總電流，用于判斷起動系統(tǒng)電氣線路的匹配是否合理。

(Ⅳ)發(fā)動機轉速，用于判斷起動是否成功，同時結合發(fā)動機特性可得到發(fā)動機起動阻力，從而為起動系統(tǒng)精細設計提供數(shù)據(jù)基礎。雖然發(fā)動機轉速可以通過控制器局域網(wǎng)(controller area network,CAN)總線由發(fā)動機電子控制單元(electronic control unit，ECU)獲得，但通過前期試驗發(fā)現(xiàn)，如何實現(xiàn)發(fā)動機轉速與其他信號的同步成為關鍵。

1.2數(shù)據(jù)處理

由發(fā)動機起動系統(tǒng)的工作原理及相關電氣特性可知：發(fā)動機與起動機之間通過齒輪連接，起動機的電壓波動頻率與發(fā)動機轉速呈比例關系。因此，通過起動機電壓波動頻率即可計算得到發(fā)動機轉速，兩者之間存在如下關系[17-19]：

(1)

其中：ne為發(fā)動機轉速，r/min；f為起動機的電壓波動頻率，Hz；i為發(fā)動機缸數(shù),i=6。

為了保證計算的準確性，本文選取n個采樣點，蓄電池的內(nèi)阻RBATT計算方法為：

(2)其中：U為開路狀態(tài)下蓄電池正極電勢，V，為保證計算準確性，取短時間小電流放電后的讀數(shù)；UBATTi為蓄電池正極電勢在第i采樣點的數(shù)值，V；Ii為蓄電池輸出電流在第i采樣點的數(shù)值，A。其他變量含義同上。

起動系統(tǒng)線路電阻的計算方法如下：

RST+=(UBATT-USTB+)/I ；

(3)

(4)

(5)

(6)

其中：RST+為起動機電源線電阻，Ω；UBATT為有電流輸出時蓄電池的正極電勢，V；USTB+為起動機正極接線端的電勢，V；I為蓄電池輸出電流，A；UBATTi為蓄電池正極電勢在第i采樣點的數(shù)值，V；USTB+i為起動機正極接線端電勢在第i采樣點的數(shù)值，V；Ii為蓄電池輸出電流在第i采樣點的數(shù)值，A；RST-為起動機搭鐵線線路電阻，Ω；USTB-為起動機搭鐵點電勢，V；USTB-i為起動機搭鐵點的電勢在第i采樣點的數(shù)值，V。

表1　起動過程采集數(shù)據(jù)表

起動系統(tǒng)的線路電阻理論上可由式(3)和式(5)計算得到，但為了保證計算準確性，本文選取n個采樣點，由式(4)和式(6)計算得到。表1為起動過程采集數(shù)據(jù)表。以-25 ℃冷起動試驗結果為例，由萬用表測量UBATT=24.1 V，再截取n個采樣點(見表1)，由式(4)和式(6)可計算出：RBATT=10.442 mΩ；RST+=1.460 mΩ；RST-=0.532 mΩ，相關數(shù)據(jù)與萬用表測量值基本一致，從而驗證了本文數(shù)據(jù)處理方法的實用性。

1109 單純皰疹病毒Ⅰ型誘導人成神經(jīng)細胞瘤細胞 SH-SY5Y 表達 β-淀粉樣蛋白 徐 娟，張力航，高金超，趙文娟，殷 明

2　整車冷起動試驗

2.1整車冷起動試驗平臺搭建

圖1　整車冷起動檢測平臺接線原理圖

根據(jù)上文提出的整車冷起動檢測系統(tǒng)原理，設計開發(fā)了相應的數(shù)據(jù)采集及處理設備，搭建了整車冷起動檢測平臺，其接線原理如圖1所示。該系統(tǒng)以蓄電池負極接線柱為測試基準點，分別對蓄電池正極接線柱電勢、起動機正極接線端電勢和起動機搭鐵點電勢進行采集，同時采集總電流。系統(tǒng)設有8路信號采集通道，通道1為蓄電池正極電勢，通道2為起動機正極接線端電勢，通道3為起動機搭鐵點電勢，通道4為總電流。

2.2-25 ℃冷起動試驗

為了保證整車溫度達到-25 ℃，將環(huán)境溫度設為-26 ℃，整車在環(huán)境倉中放置時間不小于8 h。蓄電池滿電，進氣預熱50 s，穩(wěn)態(tài)預熱電流80 A。預熱停止后，起動發(fā)動機，起動機拖動發(fā)動機運轉約2 s后發(fā)動機起動成功。起動過程中燃油加熱器不工作。該項試驗連續(xù)進行6次，每次時間間隔大于8 h，其中某次起動試驗的結果如圖2所示。

2.3-30 ℃冷起動試驗

為了保證整車溫度達到-30 ℃，將環(huán)境溫度設為-31 ℃，整車在環(huán)境倉中放置時間不小于8 h。蓄電池滿電，進氣預熱50 s，穩(wěn)態(tài)預熱電流80 A。預熱停止后，起動發(fā)動機，試驗結果顯示無法起動發(fā)動機。該項試驗連續(xù)進行6次，每次時間間隔大于8 h，均無法起動發(fā)動機。其中某次起動試驗的結果如圖3所示，由圖3可知起動機未能克服發(fā)動機阻力。

圖2 -25℃發(fā)動機冷起動試驗結果 圖3 -30℃發(fā)動機冷起動試驗結果1

在上述試驗的基礎上，打開燃油加熱器對循環(huán)水進行預熱，預熱時間為30 min，其他試驗設置均不變，起動機拖動發(fā)動機運轉約7 s后發(fā)動機起動成功。連續(xù)進行6次，每次時間間隔大于8 h，每次均能起動發(fā)動機，其中某次起動試驗的結果如圖4所示。

2.4-35 ℃冷起動試驗

為了保證整車溫度達到-35 ℃，將環(huán)境溫度設為-36 ℃，整車在環(huán)境倉中放置時間不小于8 h。蓄電池滿電，打開燃油加熱器對循環(huán)水進行預熱，預熱時間為30 min，進氣預熱50 s，穩(wěn)態(tài)預熱電流80 A，預熱停止后，起動發(fā)動機，試驗結果顯示無法起動發(fā)動機。該項試驗連續(xù)進行6次，每次時間間隔大于8 h，均無法起動發(fā)動機。

為了解決該問題，同時兼顧整車成本，本文對燃油加熱系統(tǒng)進行了改進，通過燃油加熱器的尾氣對油底殼進行預熱，以減小發(fā)動機起動阻力[20]。連續(xù)進行6次試驗，每次時間間隔大于8 h，均能起動發(fā)動機，其中某次起動試驗的結果如圖5所示。

圖4-30 ℃發(fā)動機冷起動試驗結果2圖5-35 ℃發(fā)動機冷起動試驗結果

基于上述試驗結果，本文繼續(xù)開展了-26 ℃冷起動試驗，發(fā)現(xiàn)該溫度下也必須打開燃油加熱器，這為目標車型冷起動系統(tǒng)的精細設計奠定了基礎?；谠囼灲Y果，以溫度為門限，通過對燃油加熱器的控制，優(yōu)化了目標車型冷起動控制策略：-25 ℃以上，關閉燃油加熱器；-25 ℃以下，打開燃油加熱器。該策略兼顧了整車廠對排放、成本及整車冷起動能力的需求，具體體現(xiàn)在3個方面：-25 ℃以上不再開啟燃油加熱器，從而可降低冷起動過程中的油耗和排放；在部分使用溫度高于-25 ℃的地區(qū)，可以取消燃油加熱器，從而可降低整車成本，增加產(chǎn)品競爭力；滿足了-35 ℃環(huán)境的整車冷起動能力。通過中國東北地區(qū)6個客戶為期1年的用戶試驗，驗證了優(yōu)化策略的有效性，從而驗證了該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實用性。

3　結論

(1)冷起動試驗的數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，能夠滿足整車冷起動試驗的數(shù)據(jù)采集需求，提高了整車冷起動試驗的效率。

(2)冷起動試驗的數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)解決了冷起動過程中數(shù)據(jù)采集不同步的問題，為冷起動系統(tǒng)研究的數(shù)據(jù)積累及精細設計奠定了基礎。

(3)基于冷起動試驗結果，對目標車型冷起動控制策略進行了優(yōu)化，可滿足整車廠對排放、成本及整車冷起動能力的需求，并通過了為期1年的用戶試驗驗證。經(jīng)過該系統(tǒng)測試冷起動性能合格的車輛，能夠完全滿足中國北方冬季的冷起動要求，驗證了冷起動試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可用性。

[1]周龍保.內(nèi)燃機學[M].北京:機械工業(yè)出版社,2010.

[2]梁鄭岳,朱萬泥,胡國啟,等.高壓共軌柴油機冷起動關鍵控制參數(shù)優(yōu)化的試驗研究[J].車用發(fā)動機,2012(4):48-52.

[3]洪印濤.極端低溫環(huán)境下柴油機的快速起動研究[D].重慶:重慶交通大學,2015.

[4]莫瑋,鄂加強,趙延明.嚴寒條件下車輛柴油機冷起動性能研究[J].內(nèi)燃機工程,2002,23(5):65-67.

[5]吳克剛,羅青峰,邊耀章.改善汽車冷起動性的試驗研究[J].車用發(fā)動機,2002(4):10-11.

[6]何西常,張眾杰,張云飛,等.柴油機冷起動研究現(xiàn)狀[J].內(nèi)燃機,2012(4):1-4.

[7]孟睿靈,王從鶴,徐平.降低輕型汽車低溫冷起動后排放污染物的研究[J].現(xiàn)代車用動力,2011,142(2):10-12.

[8]樓狄明,姜耀,譚丕強,等.柴油轎車冷起動顆粒排放特性的試驗研究[J].汽車工程,2014,34(5):439-443.

[9]紀常偉,潘耀江.活性炭吸附汽油機冷起動HC排放的實驗[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2007,38(3)：61-64.

[10]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[J].吉林大學學報(工學版),2008,38(1):27-31.

[11]栗工,李理光,邱冬平,等.冷起動首循環(huán)瞬態(tài)HC排放特性試驗研究[J].內(nèi)燃機學報,2007,25(2):118-124.

[12]卿樹友,高潮,胡學東,等.基于MSP430F149單片機的便攜式數(shù)據(jù)采集儀[J].重慶大學學報(自然科學版),2005,28(7):31-33.

[13]李釗.高性能低成本便攜式多點數(shù)據(jù)采集儀的研制[D].武漢:華中科技大學,2009.

[14]張俊.匠人手記：一個單片機工作者的實踐與思考[M].北京：北京航空航天大學出版社,2008.

[15]陳家瑞.汽車構造[M].北京:人民交通出版社,2002.

[16]德國BOSCH公司.汽車電氣與電子[M].北京:北京理工大學出版社,2004.

[17]萊夫.BOSCH汽車工程手冊[M].4版.魏春源,譯.北京:北京理工大學出版社,2016.

[18]盤朝奉,張秀麗,陳燎,等.純電動汽車再生制動系統(tǒng)能耗特性[J].河南科技大學學報(自然科學版),2015,35(6):20-25.

[19]張彥會,張群,張炯,等.低電量狀況下的電動汽車驅(qū)動策略設計[J].河南科技大學學報(自然科學版),2013,34(6):36-40.

[20]王忠,葉飛飛,馬金榮,等.柴油機冷起動阻力矩試驗研究[J].車用發(fā)動機,2008,174(2):10-13.

國家自然科學基金項目(51508315,51575325);山東省自然科學基金項目(ZR2015PE020);山東省重點研發(fā)計劃基金項目(2015GGX105099)

楊坤(1981-),男,山東淄博人,副教授,博士,主要研究方向為汽車電子電控及新能源汽車關鍵技術.

2016-04-05

1672-6871(2016)06-0028-05

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.06.006

U464

A