某重型商用车冷起动试验

杨　坤,董秀辉,王　杰,唐玉强,武　哲

(1.山东理工大学 交通与车辆工程学院，山东 淄博 255049；2.中国第一汽车股份有限公司 技术中心，吉林 长春 130011；3.一汽解放青岛汽车有限公司，山东 青岛 266043)



某重型商用车冷起动试验

杨坤1,董秀辉2,王杰1,唐玉强3,武哲1

(1.山东理工大学 交通与车辆工程学院，山东 淄博 255049；2.中国第一汽车股份有限公司 技术中心，吉林 长春 130011；3.一汽解放青岛汽车有限公司，山东 青岛 266043)

针对某重型商用车冷起动试验数据采集不同步、试验效率低、后续数据分析困难且不宜保存的技术现状，提出了商用车冷起动试验数据采集分析系统方案，搭建了整车冷起动测试平台。并以该平台为基础，针对某重型商用车冷起动过程中存在的-35 ℃左右起动困难，低温起动过程中油耗及排放过高的问题，开展了-25～-35 ℃的冷起动试验。采集了多个温度下的冷起动试验数据，并基于试验结果，以温度为门限，通过对燃油加热器的控制，优化了目标商用车冷起动控制策略。通过为期1年的用户实验，验证了优化策略的有效性以及该数据采集系统的实用性。

重型商用车；冷起动；数据采集分析；整车试验

0　引言

冷起动性能是重型商用车的一个重要指标[1-3]。重型商用车的工作区域跨度非常大，如果不进行专项冷起动匹配试验，将会严重影响其在中国北方地区冬季(-20 ℃以下环境)的使用[3-5]。发动机的冷起动特性对整车可靠性的影响非常大，在-18 ℃条件下，强行起动1次，发动机气缸的磨损量相当于车辆行驶200 km左右的磨损量[6]。而且，车用发动机的排放法规越来越严苛[7]，排放测试表明：大部分碳氢化合物、一氧化碳及颗粒物都是在冷起动过程中产生的[8-11]。

本文研究对象为某配置8.6 L发动机、直驱起动机、法兰式空气预热系统和燃油加热器的重型商用车，其整车冷起动系统满足相关企业标准。但根据用户反馈，该重型商用车在-35 ℃左右起动困难，存在低温起动油耗过高的现象。同时，企业市场部门反馈该类型的商用车市场竞争激烈，对整车成本十分敏感。因此，必须在兼顾成本要求的前提下解决整车冷起动问题。目前，中国整车厂冷起动试验存在如下问题：主要通过主观试验验证冷起动是否成功，且无统一的标准；相关总成特性数据采集不同步，试验效率低，后续分析困难且不宜保存，因而数据积累困难且很难对冷起动系统开展精细设计。因此，本文开发了一套针对商用车冷起动试验的数据采集分析系统，并进行了试验，基于试验结果，以温度为门限，通过对燃油加热器的控制，优化了目标车型冷起动策略，验证了该平台的实用性。

1　整车冷起动检测系统原理

本文提出的整车冷起动检测系统包括数据采集、软硬件滤波、数据处理和结果输出4个部分。其中，软硬件滤波部分和结果输出部分均采用了现有成熟技术[12-14]，因此，本文重点介绍数据采集部分和数据处理部分。

1.1数据采集

根据汽车起动系统的工作原理[15-16]，本文设计了如下数据采集系统：

(Ⅰ)蓄电池正负极电势，主要用于考核蓄电池电压降，再结合电流，即可核算出蓄电池内阻，从而综合判断蓄电池性能能否满足整车冷起动需求，并得到蓄电池低温阻抗特性。

(Ⅲ)总电流，用于判断起动系统电气线路的匹配是否合理。

(Ⅳ)发动机转速，用于判断起动是否成功，同时结合发动机特性可得到发动机起动阻力，从而为起动系统精细设计提供数据基础。虽然发动机转速可以通过控制器局域网(controller area network,CAN)总线由发动机电子控制单元(electronic control unit，ECU)获得，但通过前期试验发现，如何实现发动机转速与其他信号的同步成为关键。

1.2数据处理

由发动机起动系统的工作原理及相关电气特性可知：发动机与起动机之间通过齿轮连接，起动机的电压波动频率与发动机转速呈比例关系。因此，通过起动机电压波动频率即可计算得到发动机转速，两者之间存在如下关系[17-19]：

(1)

其中：ne为发动机转速，r/min；f为起动机的电压波动频率，Hz；i为发动机缸数,i=6。

为了保证计算的准确性，本文选取n个采样点，蓄电池的内阻RBATT计算方法为：

(2)其中：U为开路状态下蓄电池正极电势，V，为保证计算准确性，取短时间小电流放电后的读数；UBATTi为蓄电池正极电势在第i采样点的数值，V；Ii为蓄电池输出电流在第i采样点的数值，A。其他变量含义同上。

起动系统线路电阻的计算方法如下：

RST+=(UBATT-USTB+)/I ；

(3)

(4)

(5)

(6)

其中：RST+为起动机电源线电阻，Ω；UBATT为有电流输出时蓄电池的正极电势，V；USTB+为起动机正极接线端的电势，V；I为蓄电池输出电流，A；UBATTi为蓄电池正极电势在第i采样点的数值，V；USTB+i为起动机正极接线端电势在第i采样点的数值，V；Ii为蓄电池输出电流在第i采样点的数值，A；RST-为起动机搭铁线线路电阻，Ω；USTB-为起动机搭铁点电势，V；USTB-i为起动机搭铁点的电势在第i采样点的数值，V。

表1　起动过程采集数据表

起动系统的线路电阻理论上可由式(3)和式(5)计算得到，但为了保证计算准确性，本文选取n个采样点，由式(4)和式(6)计算得到。表1为起动过程采集数据表。以-25 ℃冷起动试验结果为例，由万用表测量UBATT=24.1 V，再截取n个采样点(见表1)，由式(4)和式(6)可计算出：RBATT=10.442 mΩ；RST+=1.460 mΩ；RST-=0.532 mΩ，相关数据与万用表测量值基本一致，从而验证了本文数据处理方法的实用性。

1109 单纯疱疹病毒Ⅰ型诱导人成神经细胞瘤细胞 SH-SY5Y 表达 β-淀粉样蛋白 徐 娟，张力航，高金超，赵文娟，殷 明

2　整车冷起动试验

2.1整车冷起动试验平台搭建

图1　整车冷起动检测平台接线原理图

根据上文提出的整车冷起动检测系统原理，设计开发了相应的数据采集及处理设备，搭建了整车冷起动检测平台，其接线原理如图1所示。该系统以蓄电池负极接线柱为测试基准点，分别对蓄电池正极接线柱电势、起动机正极接线端电势和起动机搭铁点电势进行采集，同时采集总电流。系统设有8路信号采集通道，通道1为蓄电池正极电势，通道2为起动机正极接线端电势，通道3为起动机搭铁点电势，通道4为总电流。

2.2-25 ℃冷起动试验

为了保证整车温度达到-25 ℃，将环境温度设为-26 ℃，整车在环境仓中放置时间不小于8 h。蓄电池满电，进气预热50 s，稳态预热电流80 A。预热停止后，起动发动机，起动机拖动发动机运转约2 s后发动机起动成功。起动过程中燃油加热器不工作。该项试验连续进行6次，每次时间间隔大于8 h，其中某次起动试验的结果如图2所示。

2.3-30 ℃冷起动试验

为了保证整车温度达到-30 ℃，将环境温度设为-31 ℃，整车在环境仓中放置时间不小于8 h。蓄电池满电，进气预热50 s，稳态预热电流80 A。预热停止后，起动发动机，试验结果显示无法起动发动机。该项试验连续进行6次，每次时间间隔大于8 h，均无法起动发动机。其中某次起动试验的结果如图3所示，由图3可知起动机未能克服发动机阻力。

图2 -25℃发动机冷起动试验结果 图3 -30℃发动机冷起动试验结果1

在上述试验的基础上，打开燃油加热器对循环水进行预热，预热时间为30 min，其他试验设置均不变，起动机拖动发动机运转约7 s后发动机起动成功。连续进行6次，每次时间间隔大于8 h，每次均能起动发动机，其中某次起动试验的结果如图4所示。

2.4-35 ℃冷起动试验

为了保证整车温度达到-35 ℃，将环境温度设为-36 ℃，整车在环境仓中放置时间不小于8 h。蓄电池满电，打开燃油加热器对循环水进行预热，预热时间为30 min，进气预热50 s，稳态预热电流80 A，预热停止后，起动发动机，试验结果显示无法起动发动机。该项试验连续进行6次，每次时间间隔大于8 h，均无法起动发动机。

为了解决该问题，同时兼顾整车成本，本文对燃油加热系统进行了改进，通过燃油加热器的尾气对油底壳进行预热，以减小发动机起动阻力[20]。连续进行6次试验，每次时间间隔大于8 h，均能起动发动机，其中某次起动试验的结果如图5所示。

图4-30 ℃发动机冷起动试验结果2图5-35 ℃发动机冷起动试验结果

基于上述试验结果，本文继续开展了-26 ℃冷起动试验，发现该温度下也必须打开燃油加热器，这为目标车型冷起动系统的精细设计奠定了基础。基于试验结果，以温度为门限，通过对燃油加热器的控制，优化了目标车型冷起动控制策略：-25 ℃以上，关闭燃油加热器；-25 ℃以下，打开燃油加热器。该策略兼顾了整车厂对排放、成本及整车冷起动能力的需求，具体体现在3个方面：-25 ℃以上不再开启燃油加热器，从而可降低冷起动过程中的油耗和排放；在部分使用温度高于-25 ℃的地区，可以取消燃油加热器，从而可降低整车成本，增加产品竞争力；满足了-35 ℃环境的整车冷起动能力。通过中国东北地区6个客户为期1年的用户试验，验证了优化策略的有效性，从而验证了该数据采集系统的实用性。

3　结论

(1)冷起动试验的数据采集分析系统，能够满足整车冷起动试验的数据采集需求，提高了整车冷起动试验的效率。

(2)冷起动试验的数据采集分析系统解决了冷起动过程中数据采集不同步的问题，为冷起动系统研究的数据积累及精细设计奠定了基础。

(3)基于冷起动试验结果，对目标车型冷起动控制策略进行了优化，可满足整车厂对排放、成本及整车冷起动能力的需求，并通过了为期1年的用户试验验证。经过该系统测试冷起动性能合格的车辆，能够完全满足中国北方冬季的冷起动要求，验证了冷起动试验数据采集系统的可用性。

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国家自然科学基金项目(51508315,51575325);山东省自然科学基金项目(ZR2015PE020);山东省重点研发计划基金项目(2015GGX105099)

杨坤(1981-),男,山东淄博人,副教授,博士,主要研究方向为汽车电子电控及新能源汽车关键技术.

2016-04-05

1672-6871(2016)06-0028-05

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.06.006

U464

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