發(fā)動機冷起動暖機過程改善措施的試驗研究

劉震濤，韓 松，尹 旭，黃 瑞，孫 正，俞小莉

(浙江大學(xué)能源工程學(xué)系，動力機械及車輛工程研究所，杭州 310027)

前言

為實現(xiàn)節(jié)能減排的目的，從發(fā)動機起動等變工況入手研究汽車節(jié)能及環(huán)保技術(shù)已經(jīng)成為一個重要的途徑。發(fā)動機起動暖機過程指的是發(fā)動機點火成功后，機內(nèi)冷卻水和機油從較低溫度上升至正常溫度的過程，該過程主要包括拖動、起動、后起動和暖機4個階段。該過程歷時較長，直接影響發(fā)動機各總成的磨損和整機的排放［1－2］。在工況法試驗中，1998年6月歐盟提出了歐Ⅲ、歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)，和歐Ⅰ、歐Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)相比除在排放限值上約降低40%外，還改變了排放測試循環(huán)，即取消了發(fā)動機起動后的怠速40s暖機時間，并于2002年要求初始的測試溫度達(dá)到－7℃［3－4］，發(fā)動機冷起動初期產(chǎn)生的 THC 和 CO 排放會比常溫起動增加很多［5］。研究表明起動階段的最初300s的CO和THC的排放占整個排放測試階段中的60% ～80%［6－7］，由此可見研究降低冷起動和暖機過程的排放顯得尤為重要。此外，發(fā)動機的可靠性和使用壽命主要取決于氣缸壁與曲軸頸的磨損程度。發(fā)動機起動階段，特別是低溫冷起動階段，由于其水溫和潤滑油溫度低，使發(fā)動機的磨損嚴(yán)重，影響發(fā)動機的可靠性和使用壽命［8］。

鑒于冷起動和暖機過程給發(fā)動機帶來的各種危害，尤其是對排放的影響，國內(nèi)外對此做了大量研究。研究工作涉及缸內(nèi)燃燒組織，排氣后處理等［9－11］。此外，也有以冷卻水為研究對象，從智能熱管理角度，通過采用加熱器和儲熱器等調(diào)節(jié)冷卻水的熱狀態(tài)，通過可調(diào)水泵等調(diào)節(jié)冷卻水的流動狀態(tài)等方法改善起動排放［12－14］。

本文中著重于發(fā)動機冷卻系統(tǒng)起動過程的熱狀態(tài)研究，通過采用電加熱器加熱冷卻水的方法，研究外加熱源對發(fā)動機起動暖機過程的影響，探索縮短暖機時間，減小發(fā)動機起動危害，改善發(fā)動機起動性能的有效途徑。

1 試驗臺架搭建

1.1 試驗用發(fā)動機

采用國產(chǎn)某型汽油發(fā)動機進行試驗，發(fā)動機的參數(shù)如表1所示。

表1 試驗用發(fā)動機參數(shù)

1.2 試驗設(shè)備

在發(fā)動機臺架上進行試驗研究，所用的測試系統(tǒng)和傳感器如表2所示。

表2 臺架試驗主要儀器和傳感器

1.3 電加熱器設(shè)計

試驗研究過程中采用電加熱方式給發(fā)動機冷卻水提供熱源，為此設(shè)計一個管道容積式加熱器和相應(yīng)的功率控制器。考慮到散熱、阻力和發(fā)動機可靠性等因素，將該加熱器設(shè)計成閉式加熱器，并可承受一定壓力。加熱器由法蘭式不銹鋼電加熱管，加熱殼體和加熱功率控制裝置等組成，該加熱器的最大加熱功率為18kW。經(jīng)過控制裝置調(diào)控后可在0～18kW間進行調(diào)節(jié)。

1.4 系統(tǒng)布置

試驗系統(tǒng)總體布置示意圖如圖1所示，試驗研究中的主要測量參數(shù)如表3所示。

表3 臺架試驗主要測量參數(shù)

2 試驗方案

根據(jù)調(diào)整不同的加熱方式、加熱功率、預(yù)熱時間和熱機溫度等設(shè)計試驗方案，測試加熱器對發(fā)動機冷起動暖機過程的影響。

試驗方案分為原機、同步加熱、預(yù)熱、熱機4個基礎(chǔ)方案，以及預(yù)熱聯(lián)合同步加熱、熱機聯(lián)合同步加熱兩個組合方案，試驗前冷卻水溫和機油溫度約為10℃。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 同步加熱試驗結(jié)果分析

加熱器加熱方式是通過在原有的冷卻水小循環(huán)管路中串聯(lián)容積式加熱器進行加熱，具備加熱兼蓄熱功能。但由于設(shè)備增加，相應(yīng)增大了熱容，故結(jié)果和原有發(fā)動機有一定差異。同步加熱是指起動發(fā)動機的同時打開加熱器開關(guān)，利用加熱器對發(fā)動機循環(huán)冷卻水進行同步加熱。根據(jù)功率大小分為0、2、4、6、8和10kW 6個試驗方案，功率為0時不加熱。

試驗表明同步加熱條件下發(fā)動機冷卻水、機油、排氣溫升和轉(zhuǎn)速在起動和暖機過程中的變化趨勢與原機條件下基本一致。以10kW同步加熱方案為例，圖2為發(fā)動機冷卻水和機油的溫升曲線，圖3為發(fā)動機排氣溫升和轉(zhuǎn)速曲線。

圖4為不同功率同步加熱條件下水溫溫升時間。由圖4可知，加熱器各功率同步加熱條件下水溫溫升均快于原機未安裝加熱器條件。缸蓋水溫升至85℃，0kW功率所需時間為1 001s，4kW功率僅需523s，約為0kW條件的一半，效果較為明顯。

圖5為不同功率同步加熱條件下主油道和油底殼的溫升時間?？梢?，加熱器的安裝使用對油溫的溫升有促進作用，并隨加熱器功率增大，效果更明顯，但其影響要小于加熱器對水溫溫升的影響。

圖6為不同功率同步加熱條件下排氣總管口處排氣溫升曲線圖。分析可知，加熱器的使用對排溫在最初階段的溫升建立影響不大。隨著功率的增大對溫升建立有略微影響，溫升最高區(qū)域溫度有所降低，這可能是由于發(fā)動機的排氣溫升和轉(zhuǎn)速、負(fù)荷有直接聯(lián)系，而加熱器功率的增大使水溫溫升迅速，從而改變發(fā)動機在較高轉(zhuǎn)速停留的時間，使排氣最高區(qū)域溫度略低。

3.2 預(yù)熱和熱機試驗結(jié)果分析

預(yù)熱方案是指在發(fā)動機起動之前讓加熱器先工作一段時間，起動發(fā)動機的同時停止加熱。發(fā)動機起動后，水泵帶動冷卻水循環(huán)，發(fā)動機及加熱器內(nèi)的冷卻水進行混合，發(fā)動機冷卻水初始溫度提高。預(yù)熱功率采用10kW，根據(jù)加熱時間不同分為100、150、200和250s 4個方案，對應(yīng)的熱量分別是1 000、1 500、2 000和2 500kJ。本方案意義在于研究提高發(fā)動機冷卻水初始溫度對發(fā)動機起動暖機的影響。該方案可以通過預(yù)熱和蓄熱等方式等效達(dá)到。

熱機起動方案是指在發(fā)動機停機后，讓其自然冷卻，當(dāng)溫度降至一定溫度時進行起動試驗。根據(jù)熱機起動溫度的設(shè)定分4個試驗方案，分別為40、50、54和63℃起動。本方案意義在于可模擬在發(fā)動機開機之前采用電子水泵聯(lián)合加熱器預(yù)先對發(fā)動機冷卻水進行加熱，冷卻水的熱量同時傳遞給機體，可達(dá)到同時預(yù)熱機體和冷卻液的目的。

圖7為預(yù)熱和熱機方案水溫溫升時間。由圖7可見，熱機和預(yù)熱同樣可以將冷卻水提高至相同溫度，但是起動后的溫升現(xiàn)象差別較大，主要表現(xiàn)為同樣的發(fā)動機冷卻水水溫下熱機的溫升時間要遠(yuǎn)小于預(yù)熱的溫升時間。這主要是由于熱機的機體溫度與水溫相同，而預(yù)熱條件下機體溫度和環(huán)境溫度相同。

圖8和圖9分別為不同預(yù)熱時間和不同熱機溫度條件下排氣溫升曲線圖?？煽闯鲭S預(yù)熱時間的延長或熱機溫度的升高，發(fā)動機排氣溫升變得緩慢。前400s內(nèi)，隨著預(yù)熱時間的延長或熱機溫度越高，排溫高區(qū)域溫度值有所下降，這主要是由于預(yù)熱后發(fā)動機混合水溫較高，發(fā)動機轉(zhuǎn)速降低造成的。

3.3 聯(lián)合試驗結(jié)果分析

預(yù)熱和同步加熱聯(lián)合方案是指在發(fā)動機起動前，加熱器通電采用10kW功率加熱一定時間，并在起動發(fā)動機后采用2kW功率保持同步加熱。

根據(jù)預(yù)熱時間不同分為10kW預(yù)熱100s聯(lián)合2kW同步加熱、10kW預(yù)熱200s聯(lián)合2kW同步加熱兩個試驗方案。

熱機和同步加熱聯(lián)合方案是指在發(fā)動機停機后，讓其自然冷卻，當(dāng)降至一定溫度時起動發(fā)動機，并同時打開加熱器，采用2kW功率對冷卻水進行同步加熱。本組試驗根據(jù)熱機起動溫度的設(shè)定由3個方案組成，分別是45℃熱機聯(lián)合2kW同步加熱、50℃熱機聯(lián)合2kW同步加熱、55℃熱機聯(lián)合2kW同步加熱。

圖10為聯(lián)合試驗條件下發(fā)動機缸蓋和缸體溫升時間圖。對比圖7可發(fā)現(xiàn)，熱機和同步加熱聯(lián)合條件下的水溫溫升時間進一步縮短，相比無同步加熱的50℃熱機條件，缸蓋水溫溫升至85℃時間從542s降至338s，降幅達(dá)204s，降低為原來的62.4%。55℃熱機聯(lián)合2kW同步加熱條件和無同步加熱的54℃熱機條件相比，水溫溫升從原先486s降至316s，降幅達(dá)170s，降低為原來的65.0%，效果較為明顯。對比還發(fā)現(xiàn)同步聯(lián)合加熱條件下的水溫溫升時間有進一步明顯的改善，相比無同步加熱的10kW*200s預(yù)熱條件，缸蓋水溫溫升從原先的709s降至440s，降幅達(dá)269s，降低為原來的62.1%，效果較為明顯。

圖11為預(yù)熱和同步加熱聯(lián)合條件下排氣溫升曲線圖，對比圖8可以發(fā)現(xiàn)排氣溫升趨勢較為一致，2kW的同步聯(lián)合加熱使發(fā)動機排氣溫升有所降低，最初溫升速率略有下降。圖12為不同熱機同步加熱條件下排氣溫升曲線圖，聯(lián)合了2kW同步加熱的試驗條件對于初期的急劇溫升沒有明顯改變，使發(fā)動機溫度高區(qū)域有所降低。

另外，輔助加熱的實施可縮短暖機時間，減少摩擦磨損，同時降低暖機過程的燃油消耗。試驗表明:原機怠速起動暖機過程消耗燃油240.3g;而同步加熱4kW方案的起動暖機過程折算總耗油量為183.5g，節(jié)油率達(dá)23.6%。

4 結(jié)論

(1)安裝容積式管路加熱器，可以達(dá)到加熱兼蓄熱功能，但增加了熱循環(huán)中的熱容，對同步加熱方案產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。

(2)同步加熱方案對發(fā)動機起動暖機過程中目標(biāo)水溫和油溫建立的時間有較大縮短，加熱功率越大改善效果越明顯。與原機相比，低加熱功率的同步加熱基礎(chǔ)方案改善作用不大。

(3)預(yù)熱方案中，預(yù)熱時間越長越能縮短發(fā)動機起動暖機過程目標(biāo)水溫和油溫的建立時間，相同情況下熱機方案隨熱機溫度的提高縮短時間效果趨于明顯。可以認(rèn)為若用電子水泵聯(lián)合預(yù)熱方式可同樣達(dá)到縮短暖機時間的目的。

(4)預(yù)熱基礎(chǔ)方案和熱機基礎(chǔ)方案聯(lián)合同步加熱基礎(chǔ)方案后的組合方案，進一步擴大了基礎(chǔ)方案對發(fā)動機起動性能的改善效果。與低功率同步加熱聯(lián)合的組合方案效果接近于大功率同步加熱基礎(chǔ)方案，但能耗大大降低。

(5)預(yù)熱和熱機方案下發(fā)動機起動初始冷卻水溫較高，發(fā)動機轉(zhuǎn)速偏低，這有利于降低起動階段的發(fā)動機污染物排放。

［1］周龍保.內(nèi)燃機學(xué)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2005.

［2］吳森.汽油機管理系統(tǒng)［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2002.

［3］Yoshishige Ohyama，Teruo Yamauchi，Minoru Ohsuga.Mixture Formation During Cold Starting and Warm-up in Spark Ingnition Engines［C］.SAE Paper 960065.

［4］Piotr Bielaczyc，Jerzy Merkisz.Exhaust Emission from Passenger Cars During Engine Cold Start and Warm-up［C］.SAE Paper 970740.

［5］吳憩棠.國Ⅲ、國Ⅳ與國Ⅱ排放標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)別［J］.汽車與配件，2008(3):21－23.

［6］Gumus M.Reducing Cold-start Emission from Internal Combustion Engines by Means of Thermal Energy Storage System［J］.Applied Thermal Engineering，2009，29(4):652 －660.

［7］李晶華，高俊華.汽油車低溫冷起動和常溫冷起動排放特性的對比分析［J］.汽車技術(shù)，2007(4):25 －28.

［8］莫瑋，鄂加強，趙延明.車用發(fā)動機低溫冷啟動磨損研究［J］.內(nèi)燃機，2002(3):19 －21.

［9］John E Kirwan，Ather A Quader，M James Grieve.Fast Start-up On-board Gasoline Reformeer for Near Zero Emissions in Spark-ignition Engines［C］.SAE Paper 2002－01 －1011.

［10］姚春德，倪培永，姚廣濤.進氣預(yù)熱降低汽油機冷起動排放的研究［J］.內(nèi)燃機學(xué)報，2006(6):494－499.

［11］賓科，趙福堂，馮國勝.汽油機冷起動過程中HC排放問題初探［J］.汽車工程，2003，25(4):346 －348.

［12］柏勁松.提高發(fā)動機冷起動和低溫工況下排氣凈化的新技術(shù)［J］.汽車維護與修理，2003(9):35 －37.

［13］Leonard L Vasiliev，Viktor S Burak，Andrei G Kulakov，et al.Heat Storage Device for Preheating Internal Combustion Engines at Start-up［J］.Int.J.Therm.Sci.，1998，38:98 －104.

［14］陳暉.駐車加熱系統(tǒng)［J］.上海汽車，2004(10):26－28.