PTC发热元件在车辆柴油预热中的应用

张凌露，高李明

（南京依维柯汽车有限公司，江苏 南京 210028）

PTC发热元件在车辆柴油预热中的应用

张凌露，高李明

（南京依维柯汽车有限公司，江苏 南京 210028）

PTC柴油预热系统的应用可以溶解柴油析蜡，改善发动机冷起动性能。PTC发热元件的选择和供油系统结构、蓄电池电能消耗有关，是预热系统设计的关键。本文通过某款车设计实例介绍了PTC柴油预热系统的设计思路。

PTC；析蜡；冷起动；柴油预热系统

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

前言

为改善柴油车的冷起动性能，出现了众多技术手段，比较常见的是柴油机低温预热技术的应用，在最低环境温度高于-25℃的使用区域，提高柴油发动机进气温度对改善发动机的低温起动性能有明显的作用，所以进气预热装置成为柴油车的标准配置。但低温条件下柴油析蜡和粘度增大现象会造成柴油流通和雾化变差，也是影响发动机低温性能的一个重要因素，在采用进气预热措施同时需要配合采用合适的柴油预热措施。PTC（正温度系数）发热材料具有独特的自控温性能，在柴油预热中被越来越多采用，但PTC发热材料的功率选择、布置和整车供油系统存在较大关联，在设计手册和参考文献中相关的设计指导很少，往往设计工程师无法入手。本文根据某款自主开发车型的设计开发实例，对PTC发热元件在柴油加热中的具体应用进行介绍。

1、需要柴油预热的原因

柴油参数存在冷滤点和冷凝点两个不同指标，根据国家公布的柴油标准规定，低温环境使用的柴油冷滤点对应温度值一般高于冷凝点4-6℃，例如标准规定0号柴油的冷滤点不高于4℃，冷凝点不高于0℃。

柴油中碳氢化合物含有链烷烃，当温度降低到一定程度，会以蜡状物形式逐渐析出（俗称析蜡），当析出的蜡晶形成网络时，会吸附柴油影响流通性。常见故障模式为低温环境下使用的车辆暖机阶段或长时间低速运行时发动机熄火。原因是燃油温度低于柴油冷滤点后，形成得蜡晶影响柴油的流通性,并且经过一段时间的燃油流动，漂浮在油品中的蜡状物会吸附在滤网上，逐步堆积堵塞滤网孔，造成供油不畅或中断，引起车辆车速不稳或熄火。

近年来天气变化异常天数增加，用户对最低气温判断的难度也明显增加，同时有些用户对柴油冷凝点和冷滤点的区别不清楚，或出于成本考虑会尽量延长高冷凝点的柴油使用时间，如果在环境温度处于燃油冷凝点附近，由于低于冷滤点出现析蜡导致低速运行时车辆熄火,显然会引起用户抱怨.为解决该问题, 车辆生产厂家在采用进气加热预热措施的同时还需要通过适当辅助手段提高燃油温度或燃油冷凝点,抑制或防止柴油析蜡。其中采用PTC发热元件的柴油电加热技术由于具备加装方便、成本低、控制简单的特点获得广泛推荐。

2、PTC发热材料主要特点

柴油电加热技术基本原理是通过消耗电能转变成热能加热柴油，发热元件常见电热丝、PTC两种形式。其中PTC材料具备以下明显特点：

（1）安全性：PTC材料具备自控温特殊功能，当PTC元件施加直流电压升温时，在未达到居里温度点时它的电阻率基本保持不变或仅有很小变化，而当温度超过材料的居里点温度后，电阻率会迅速增大，使其电流下降达到自动控制温度的目的。该特殊功能对柴油加热应用具备明显的安全优势。选择合适的PTC加热元件，可以保证燃油温度不会超过沸点，避免了过高温度下燃油自燃的危险。

（2） 效率高：PTC材料升温迅速，热能转换效率高，可以在较短时间内提高燃油温度，和冷起动用途的快速柴油加热要求相吻合。

（3）布置便捷：PTC加热元件可以制作多种结构和规格，可以容易地安装在散热金属体上或直接安置在油路中，通过合理设计可以和柴油供油系统中的其它部件集成，不影响低压油路流阻，不改变发动机基本结构、不影响系统柴油过滤精度。

（4）控制电路简单，维修方便：和电热丝等材料发热元件相比省去了复杂的自动控制温度的线路，系统控制部分结构简单。

但和其它电加热元件一样，PTC发热元件消耗的是整车电能，在低温环境下蓄电池能量下降，冗余电量不足，如不正确选择PTC发热元件的用电功率，会导致起动前过多消耗蓄电池能量，反而会恶化起动条件。

3、PTC柴油加热开发实例介绍

3.1 某款柴油轻客供油系统如下图

柴油供油系统如上图所示，由油箱、输油泵、油水分离器（初滤）、主柴滤（精滤）、高压油泵、共轨管、喷油嘴、输送油管等部件组成。

燃油循环路径为：在电动泵的作用下，集成在油量传感器的回油腔中的柴油通过吸油(输出)油管输出，经过两级过滤到达高压油泵，在高压油泵的推送下，进入共轨管中，在发动机未起动时，由于高压油泵也尚未运行，燃油通过高压油泵泵体的泄流口回到油箱，而在发动机起动或运行后，共轨管中的燃油一部分被喷油器喷出做功消耗，一部分回流到油箱中的回油腔。回油腔留有小开口和油箱中的柴油相通，保证发动机运行时喷油器消耗的部分得到及时补充。

3.2 PTC发热元件布置

在PTC发热元件用于加热柴油的系统中, 由于PTC发热材料具有对外绝缘的结构特点,可以方便的放置在油路中直接加热柴油，常见的布置可以放置在油箱中、管路中和滤清器中，不同地点的布置方式决定的系统的复杂性和维修性高低。考虑到预热过程加热的对象主要是供油回路系统内的燃油，而且低温析蜡影响油路流通性的最主要原因是堵塞滤网，因此发热元件应该靠近滤网处进行布置。本实例的供油系统共有三处滤网，分别为油量传感器集成一起的出油管滤网、油水分离器滤网、主柴滤滤网，其中主柴滤和油水分离器滤网网孔相对较密，堵塞的风险较大，在柴油滤清器装置中集成PTC发热元件相对其它地方布置容易实现，而且发热元件靠滤网近，预热效果好。

滤清器中的PTC加热元件的布置，是利用滤清器进出油管处的上盖本体的内腔空间（如图3所示），将硬币状圆形陶瓷发热元件两个电极和上下金属散热导电片紧密连接（该散热导电片同时起散热和导电的作用）。既不影响回路流阻，PTC加热元件的热传递也直接作用于滤网，迅速加热低温时滤网上凝固的油品，起到溶解析蜡、降低油品粘度、提高流通性的目的。

3.3 柴油预热系统工作流程

柴油预热系统和格栅进气预热系统组合共同构成发动机预热系统。当接通点火开关，发动机ECU检测到环境温度低于5℃,发动机预热程序开始运行（发动机预热过程一般按照进气预热系统工作流程分为前预热--等待起动--起动--后预热等步骤），同步开始工作的柴油预热流程如下：

和进气预热系统同时启动，在进气预热格栅电源接通时，发动机控制系统也向柴油预热系统的PTC元件、电动泵开始供电，对供油回路中的柴油预热,并继续保持通电到柴油温度达到5℃，停止PTC元件供电，柴油预热退出运行。

如果在格栅前预热时间（和环境温度存在对应关系，最长25秒）后的20秒内(等待点火时段)，ECU未接收到来自点火开关的起动信号，或第一次起动不成功，从用电平衡考虑，断开PTC和电动泵电源供应，等待第二次预热启动。

3.4 PTC发热元件功率选择

正确选择柴油预热系统需要的PTC元件的功率是该技术运用的关键，其功率值的大小取决于希望得到的被加热柴油的温升速率和蓄电池电能消耗，具体介绍如下：

根据热学公式：QPTC+Q回油=Q油品+Q环境

其中 QPTC为PTC发热元件发出的热量，Q回油为发动机运行后，吸收了发动机散热后温度升高了的回油对供油循环系统加热的贡献，Q油品为被加热柴油吸收的热量，Q环境为供油系统部件表面向环境散失的热量。

发动机预热阶段发动机温升还不高，回油对供油回路的油温上升贡献不大，理论推算时不计入这部分热量增量选择出的PTC元件功率值对获得期望的温升速率更有利，因此简化热平衡公式为：

为正确选择PTC元件参数，首先要确定预热阶段被加热燃油期望得到的温升速率，该温升速率是燃油预热系统设计的一个重要参数，数值越大决定了选择的PTC功率越大，容易造成蓄电池亏电，反过来该温升速率如偏小，预热效果差，严重时甚至会起不到避免车辆熄火的目的。根据对进口对标车型的低温试验测量结果，该温升速率为6℃/分。在实际使用中：

（1）未加装柴油预热车辆的售后质量信息显示，一般故障发生在发动机起动后怠速运行一分钟以后；

（2）低温时使用的柴油冷滤点温度一般比冷凝点高4-6℃，基于保证冷凝点环境温度附近车辆正常使用的设计输入前提，由于在发动机起动前燃油预热系统已经过发动机前预热、等待起动、起动三个时间段的持续工作，当再持续加热到发动机起动后一分钟时，燃油的加热时间一定超过一分钟，如果按照温升率6℃/分推算，被加热燃油的温度理论上已上升6℃,越过了冷滤点,可以避免析蜡影响供油的流通性, 因此设定燃油预热系统的温升速率为6℃/分，具备合理性，本实例将该数值设定为系统设计的目标值并基于该目标值展开PTC元件的功率计算如下:

预热过程加热的柴油和供油回路的结构存在密切关系，本举例车型的供油系统回油口和出油口都集中在柴油传感器底部的回油腔,回油腔与油箱相通的开口补充发动机运行过程消耗的油量, 大部分供油系统内燃油在系统管路内循环运行，考虑到预热阶段的前期柴油喷射消耗量远小于供油循环油路内的总油量, 所以可以近似认为PTC元件通电发出的热量除了一部份对环境散失，主要用于加热燃油循环系统(包括滤清器、输送管路(含共轨管)、油箱内回油腔)内的柴油。

本实例燃油循环系统各部件的有效容积和表面积分别计算结果如下：

油管 油水分离器 主柴滤 回油腔 总计体积（cm3） 245 1000 700 300 2245散热面积（m2） 0.12 0.05 0.035 0.015 0.22

供油循环系统系统总容积：2245 cm3

取柴油密度850 kg/m3

则可以推算出供油系统柴油总质量m为：

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

质量为m的柴油温升t℃的吸热量公式为: Q油品=cmt

其中c为柴油比热，由于柴油是一种混合化合物，具体的柴油比热一般需要通过测定才能知晓，不同产地和工艺的油品比热数值不尽相同，不同的环境温度下也需要进行温度修正，一般数值在一点几到二点一之间，为兼顾这种差异，在预热应用方案设计中建议选择2.1 kj/（kg.℃）按预热最初阶段油温从冷凝点升高到冷滤点以上为计算时段,选取t=6℃.计算出质量为m的柴油温度提升6℃的吸热量:

同时，燃油循环系统部件的表面向环境散失热量,该散失热量值与散热面积、被加热燃油与环境的温度差、升温时间长短有关，计算公式为: Q环境=hTF△t

其中h为对流换热系数：取h=5w/（m2.℃）

T为供油系统部件总的散热表面积，本例为0.22 m2

F为油温相对环境温度的差值，尽管在加热的最后时刻油品才可能提高到最终温度差，但从设计安全性考虑仍以最终值计入，因此按前面假设要求取6℃。

△t为油温上升6℃的加热时间，按照目标温升速率6℃/分的要求，△t是一分钟。代入公式可以得到：一分钟内供油系统部件表面散失的热量为：

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

张凌露，高级工程师，就职于南京依维柯汽车有限公司产品工程部，从事汽车电子电器设计工作。