電噴汽油機(jī)冷起動性能研究

何文，王文璽，干能強(qiáng)，李旭

(中國長安汽車工程研究院，重慶401120)

0 前言

發(fā)動機(jī)起動性能是判斷發(fā)動機(jī)是否合格的關(guān)鍵性指標(biāo)之一。過低的環(huán)境溫度易導(dǎo)致潤滑油的黏度升高，起動阻力矩增加，起動轉(zhuǎn)速降低，同時(shí)缸內(nèi)的燃油霧化效果較差，造成發(fā)動機(jī)起動困難。

中國地域廣闊，尤其是北方地區(qū)，冬季氣溫很低，車輛起動困難現(xiàn)象較普遍。因此，研究整車在低溫下的起動性能是非常必要的。國內(nèi)主要主機(jī)廠包括一汽、上汽、東風(fēng)、長安等都有低溫倉進(jìn)行整車?yán)淦饎釉囼?yàn)，同時(shí)也會在冬天到黑河等極寒地區(qū)進(jìn)行冷起動的匹配和驗(yàn)證。

但是，整車?yán)淦饎邮且粋€(gè)比較復(fù)雜的系統(tǒng)工程，牽涉的系統(tǒng)較多。但是，國內(nèi)外對冷起動研究較多的主要是柴油發(fā)動機(jī)，主要是從預(yù)熱加熱裝置、起動系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)等方面進(jìn)行研究;汽油發(fā)動機(jī)的冷起動研究相對較少，主要是從排放性能來進(jìn)行研究，但是對于影響整車?yán)淦饎拥南嚓P(guān)子系統(tǒng)并沒有單獨(dú)進(jìn)行分析。為此，作者從相關(guān)的子系統(tǒng)出發(fā)對電噴汽油機(jī)冷起動進(jìn)行深入的研究。

影響電噴汽油機(jī)冷起動的因素除發(fā)動機(jī)本體外，主要的影響因素是起動系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)和電噴系統(tǒng)。為此，以JL474QB發(fā)動機(jī)為對象，在實(shí)車上針對這3 個(gè)系統(tǒng)采取不同的方案，研究其在-30 ℃條件下對冷起動的影響(起動成功的標(biāo)志是在10 s 內(nèi)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速能達(dá)到1 000 r/min 以上)。這對國內(nèi)的冷起動性能研究具有指導(dǎo)作用，為進(jìn)一步揭示冷起動困難的機(jī)制提供參考。

1 冷起動影響因素研究

1.1 起動系統(tǒng)

發(fā)動機(jī)起動時(shí)，必須克服氣缸內(nèi)被壓縮氣體的阻力和發(fā)動機(jī)本身及附件內(nèi)相對運(yùn)動的摩擦阻力。同時(shí)為了防止氣缸漏氣和熱量散失過多，保證壓縮終止時(shí)氣缸內(nèi)有足夠的壓力和溫度以及燃油系統(tǒng)建立足夠的噴射壓力和足夠強(qiáng)度的空氣渦流，就要求起動轉(zhuǎn)速必須足夠的高。綜上所述，克服起動阻力矩和產(chǎn)生足夠的起動轉(zhuǎn)速是發(fā)動機(jī)順利起動的必備條件。

在進(jìn)行起動電機(jī)和發(fā)動機(jī)機(jī)械特性的匹配時(shí)，可得到如圖1 所示的匹配圖。由對應(yīng)于某個(gè)計(jì)算溫度的曲線交點(diǎn)，可確定起動電機(jī)帶動曲軸旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。如果在給定的低溫條件下，滿足起動轉(zhuǎn)速nnp不小于最低起動轉(zhuǎn)速nmin，則認(rèn)為此系統(tǒng)可以滿足設(shè)計(jì)條件。

在保證蓄電池CCA 值滿足起動電機(jī)工作點(diǎn)需求的前提下，分別采用1.0 kW 起動電機(jī)和1.2 kW 起動電機(jī)進(jìn)行冷起動試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2 和圖3 所示。

帶1.0 kW 起動電機(jī)的發(fā)動機(jī)在進(jìn)行冷起動試驗(yàn)時(shí)，拖動轉(zhuǎn)速在95 r/min 左右，而且起動過程中起動系統(tǒng)不足以克服發(fā)動機(jī)的阻力矩而導(dǎo)致兩次轉(zhuǎn)速為0 的情況，轉(zhuǎn)速不能迅速上沖從而導(dǎo)致冷起動失敗。帶1.2 kW 起動電機(jī)的發(fā)動機(jī)在進(jìn)行冷起動試驗(yàn)時(shí)，拖動轉(zhuǎn)速在123 r/min 左右，冷起動成功。由此可見，起動系統(tǒng)必須在克服發(fā)動機(jī)低溫阻力矩的前提下，拖動轉(zhuǎn)速大于發(fā)動機(jī)需求轉(zhuǎn)速方可保證起動成功。

1.2 電噴系統(tǒng)

電噴系統(tǒng)的主要任務(wù)是協(xié)調(diào)發(fā)動機(jī)中的各個(gè)子系統(tǒng)，以調(diào)整發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的扭矩，并要同時(shí)實(shí)現(xiàn)對排放、油耗、功率、舒適性和安全性的要求，并對各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行診斷。其控制的內(nèi)容包括汽缸進(jìn)氣量的控制、燃油供給、混合氣的形成以及點(diǎn)火定時(shí)等。

在冷起動過程中，電噴系統(tǒng)中涉及到的量主要有點(diǎn)火提前角、空燃比、噴油時(shí)間、進(jìn)氣量、噴油相位等。下面針對點(diǎn)火提前角進(jìn)行討論。

氣缸內(nèi)的混合氣從火花塞點(diǎn)火到燃燒需要一定的時(shí)間。試驗(yàn)表明，在燃燒做功過程中，當(dāng)最高燃燒壓力出現(xiàn)在上止點(diǎn)后10°左右時(shí)，發(fā)動機(jī)的輸出功率最大。為了使發(fā)動機(jī)輸出功率最大，點(diǎn)火時(shí)刻不在壓縮行程上止點(diǎn)開始，而應(yīng)適當(dāng)提前一定角度。

如果點(diǎn)火提前角過小，發(fā)動機(jī)輸出功率下降，燃油消耗增加;如果點(diǎn)火提前角過大，輸出功率也會下降，還極易產(chǎn)生爆震。點(diǎn)火提前角的選取主要與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動機(jī)負(fù)荷、汽油辛烷值等相關(guān)。

冷起動過程中點(diǎn)火提前角的選取極為關(guān)鍵:點(diǎn)火提前角過小會導(dǎo)致動力不足，不足以克服發(fā)動機(jī)阻力矩而出現(xiàn)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速掉為0 的情況;點(diǎn)火提前角過大，會導(dǎo)致爆震，或者是活塞還未到達(dá)上止點(diǎn)，汽缸內(nèi)已經(jīng)有燃燒現(xiàn)象，對活塞進(jìn)行反沖作用，使得活塞被卡死，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速突然掉為0。但是，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定的閾值時(shí)，點(diǎn)火提前角必須隨轉(zhuǎn)速增加，以得到相對應(yīng)的輸出功率。

在進(jìn)行給排水設(shè)計(jì)中，合理的安排空調(diào)的安裝位置，根據(jù)實(shí)際情況統(tǒng)一設(shè)置。對于空調(diào)凝結(jié)水的排放要合理安排，將其引導(dǎo)到鄰近的雨水井中，避免因?yàn)樵O(shè)計(jì)原因而影響到鄰居的生活。

下面選取初始點(diǎn)火提前角為7°、3°和-3°來進(jìn)行冷起動試驗(yàn)(起動系統(tǒng)及其他電噴數(shù)據(jù)不變，起動系統(tǒng)能克服發(fā)動機(jī)阻力矩且拖動轉(zhuǎn)速大于發(fā)動機(jī)最低拖動轉(zhuǎn)速)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4—6 所示。

初始點(diǎn)火提前角為7°和-3°時(shí)，在起動過程中都出現(xiàn)轉(zhuǎn)速跌落至50 r/min 以下的情況，而且發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速最多只能上沖到500 r/min 左右，難以保證起動成功;初始點(diǎn)火提前角為3°時(shí)，能順利起動發(fā)動機(jī)。由此可見，合理地選擇初始點(diǎn)火提前角是非常重要的。

1.3 點(diǎn)火系統(tǒng)

電噴點(diǎn)火系統(tǒng)的工作原理是:發(fā)動機(jī)運(yùn)行時(shí)，電子控制單元(ECU)不斷地采集發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、冷卻水的溫度、進(jìn)氣溫度等信號，并根據(jù)存儲器中存儲的有關(guān)程序和數(shù)據(jù)，確定出該工況下最佳點(diǎn)火提前角和初級電路的最佳導(dǎo)通角，并以此向點(diǎn)火控制模塊發(fā)出指令，控制點(diǎn)火線圈初級回路的導(dǎo)通和截止。當(dāng)電路導(dǎo)通時(shí)，有電流從點(diǎn)火線圈中的初級線圈通過，點(diǎn)火線圈此時(shí)將點(diǎn)火能量以磁場的形式儲存起來。當(dāng)初級線圈中的電流被切斷時(shí)，在次級線圈中將產(chǎn)生很高的感應(yīng)電動勢，經(jīng)分電器送至工作氣缸的火花塞，點(diǎn)火能量被瞬間釋放，點(diǎn)燃?xì)飧變?nèi)的混合氣，發(fā)動機(jī)完成做功過程。此外，在帶有爆燃傳感器的點(diǎn)火提前角閉環(huán)控制系統(tǒng)中，ECU 還可根據(jù)爆燃傳感器的輸入信號來判斷發(fā)動機(jī)的爆燃程度，并將點(diǎn)火提前角控制在輕微爆燃的范圍內(nèi)，使發(fā)動機(jī)能獲得較高的燃燒效率。因此，點(diǎn)火系統(tǒng)的研究范疇主要集中在點(diǎn)火提前角、通電時(shí)間、爆震和點(diǎn)火能量上，其中點(diǎn)火能量與通電時(shí)間密切相關(guān)。而在冷起動中，點(diǎn)火能量的影響非常大，文中就這一因素進(jìn)行深入探討。

點(diǎn)火系統(tǒng)必須保證提供給發(fā)動機(jī)足夠的能量以點(diǎn)燃不同工況下發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)的可燃混合氣。點(diǎn)火能量過低，發(fā)動機(jī)的功率、扭矩下降，油耗上升，排放變差，甚至造成發(fā)動機(jī)停機(jī)。點(diǎn)火能量過高，會造成能量浪費(fèi)，同時(shí)降低點(diǎn)火系統(tǒng)的壽命。點(diǎn)火能量的計(jì)算公式如下:

式中:w 為點(diǎn)火能量;t 為火花持續(xù)時(shí)間;i 為次級點(diǎn)火電流;V 為次級點(diǎn)火電壓;n 為采樣點(diǎn)數(shù);i (k)為次級點(diǎn)火電流第k次采樣值;V (k)為次級點(diǎn)火電壓第k 次采樣值。

點(diǎn)火能量的測試必須模擬車輛實(shí)際情況，為此用三針放電器來代替火花塞，如圖7 所示。在點(diǎn)火線圈次級輸出端安裝電壓探頭和電流探頭即可進(jìn)行次級點(diǎn)火電流i 和次級點(diǎn)火電壓V的測試。

在冷起動過程中，由于汽油的顆粒度較常溫下大得多，揮發(fā)性較差，空氣的濕度較常溫下也比較大，因此，形成的混合氣的燃燒濃度范圍較窄、火焰?zhèn)鞑ニ俣容^慢、著火溫度要求較高，需要提供較大的點(diǎn)火能量。但是，高的點(diǎn)火能量會增加點(diǎn)火系統(tǒng)的成本，同時(shí)也使擊穿電壓增大，而過高的擊穿電壓很容易造成火花塞電極的燒蝕，從而縮短火花塞的使用壽命，并使其工作可靠性降低，因此，應(yīng)將點(diǎn)火能量限制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。

下面就針對不同點(diǎn)火能量(34、48、65 mJ)的點(diǎn)火線圈來進(jìn)行冷起動試驗(yàn)(起動系統(tǒng)及電噴數(shù)據(jù)不變)，試驗(yàn)結(jié)果如圖8—10 所示。

點(diǎn)火能量為34 mJ 時(shí)，起動過程中由于混合氣的燃燒范圍較窄、傳播速度較慢，難以點(diǎn)燃混合氣，只有兩個(gè)汽缸著火成功，轉(zhuǎn)速維持在500 r/min 左右;當(dāng)點(diǎn)火能量上升到48 mJ 時(shí)，能保證發(fā)動機(jī)在10 s 左右起動成功;點(diǎn)火能量繼續(xù)增大到65 mJ 后，很快將混合氣點(diǎn)燃，2 s 左右發(fā)動機(jī)起動成功。因此，點(diǎn)火能量對冷起動的貢獻(xiàn)是巨大的，在冷起動這樣惡劣的環(huán)境下將混合氣點(diǎn)燃對冷起動至關(guān)重要。但是，并不是點(diǎn)火能量越大越好，就文中的試驗(yàn)來看，點(diǎn)火能量為65 mJ 固然使得冷起動性能較好，但是由于其本身的成本因素以及在常溫下使得火花塞的壽命縮短，所以并不推薦采用，點(diǎn)火能量為48 mJ 比較適宜。

2 結(jié)論

冷起動的匹配比較復(fù)雜，牽涉到發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)、起動系統(tǒng)、電噴系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)等，由于各個(gè)系統(tǒng)的聯(lián)系非常緊密，各個(gè)參數(shù)在進(jìn)行性能優(yōu)化時(shí)都必須考慮對其他系統(tǒng)的影響。從起動系統(tǒng)、電噴系統(tǒng)和點(diǎn)火系統(tǒng)的某些參數(shù)進(jìn)行研究，獨(dú)立分析它們對冷起動性能的影響，在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上找到最佳匹配點(diǎn)，保證低溫冷起動的成功。

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