电喷汽油机冷起动性能研究

2013-12-23何文王文玺干能强李旭

汽车零部件 2013年11期

何文，王文玺，干能强，李旭

(中国长安汽车工程研究院，重庆401120)

0 前言

发动机起动性能是判断发动机是否合格的关键性指标之一。过低的环境温度易导致润滑油的黏度升高，起动阻力矩增加，起动转速降低，同时缸内的燃油雾化效果较差，造成发动机起动困难。

中国地域广阔，尤其是北方地区，冬季气温很低，车辆起动困难现象较普遍。因此，研究整车在低温下的起动性能是非常必要的。国内主要主机厂包括一汽、上汽、东风、长安等都有低温仓进行整车冷起动试验，同时也会在冬天到黑河等极寒地区进行冷起动的匹配和验证。

但是，整车冷起动是一个比较复杂的系统工程，牵涉的系统较多。但是，国内外对冷起动研究较多的主要是柴油发动机，主要是从预热加热装置、起动系统、排气系统等方面进行研究;汽油发动机的冷起动研究相对较少，主要是从排放性能来进行研究，但是对于影响整车冷起动的相关子系统并没有单独进行分析。为此，作者从相关的子系统出发对电喷汽油机冷起动进行深入的研究。

影响电喷汽油机冷起动的因素除发动机本体外，主要的影响因素是起动系统、点火系统和电喷系统。为此，以JL474QB发动机为对象，在实车上针对这3 个系统采取不同的方案，研究其在-30 ℃条件下对冷起动的影响(起动成功的标志是在10 s 内发动机转速能达到1 000 r/min 以上)。这对国内的冷起动性能研究具有指导作用，为进一步揭示冷起动困难的机制提供参考。

1 冷起动影响因素研究

1.1 起动系统

发动机起动时，必须克服气缸内被压缩气体的阻力和发动机本身及附件内相对运动的摩擦阻力。同时为了防止气缸漏气和热量散失过多，保证压缩终止时气缸内有足够的压力和温度以及燃油系统建立足够的喷射压力和足够强度的空气涡流，就要求起动转速必须足够的高。综上所述，克服起动阻力矩和产生足够的起动转速是发动机顺利起动的必备条件。

在进行起动电机和发动机机械特性的匹配时，可得到如图1 所示的匹配图。由对应于某个计算温度的曲线交点，可确定起动电机带动曲轴旋转的稳定转速。如果在给定的低温条件下，满足起动转速nnp不小于最低起动转速nmin，则认为此系统可以满足设计条件。

在保证蓄电池CCA 值满足起动电机工作点需求的前提下，分别采用1.0 kW 起动电机和1.2 kW 起动电机进行冷起动试验，试验结果如图2 和图3 所示。

带1.0 kW 起动电机的发动机在进行冷起动试验时，拖动转速在95 r/min 左右，而且起动过程中起动系统不足以克服发动机的阻力矩而导致两次转速为0 的情况，转速不能迅速上冲从而导致冷起动失败。带1.2 kW 起动电机的发动机在进行冷起动试验时，拖动转速在123 r/min 左右，冷起动成功。由此可见，起动系统必须在克服发动机低温阻力矩的前提下，拖动转速大于发动机需求转速方可保证起动成功。

1.2 电喷系统

电喷系统的主要任务是协调发动机中的各个子系统，以调整发动机产生的扭矩，并要同时实现对排放、油耗、功率、舒适性和安全性的要求，并对各个子系统进行诊断。其控制的内容包括汽缸进气量的控制、燃油供给、混合气的形成以及点火定时等。

在冷起动过程中，电喷系统中涉及到的量主要有点火提前角、空燃比、喷油时间、进气量、喷油相位等。下面针对点火提前角进行讨论。

气缸内的混合气从火花塞点火到燃烧需要一定的时间。试验表明，在燃烧做功过程中，当最高燃烧压力出现在上止点后10°左右时，发动机的输出功率最大。为了使发动机输出功率最大，点火时刻不在压缩行程上止点开始，而应适当提前一定角度。

如果点火提前角过小，发动机输出功率下降，燃油消耗增加;如果点火提前角过大，输出功率也会下降，还极易产生爆震。点火提前角的选取主要与发动机转速、发动机负荷、汽油辛烷值等相关。

冷起动过程中点火提前角的选取极为关键:点火提前角过小会导致动力不足，不足以克服发动机阻力矩而出现发动机转速掉为0 的情况;点火提前角过大，会导致爆震，或者是活塞还未到达上止点，汽缸内已经有燃烧现象，对活塞进行反冲作用，使得活塞被卡死，发动机转速突然掉为0。但是，当发动机转速达到一定的阈值时，点火提前角必须随转速增加，以得到相对应的输出功率。

在进行给排水设计中，合理的安排空调的安装位置，根据实际情况统一设置。对于空调凝结水的排放要合理安排，将其引导到邻近的雨水井中，避免因为设计原因而影响到邻居的生活。

下面选取初始点火提前角为7°、3°和-3°来进行冷起动试验(起动系统及其他电喷数据不变，起动系统能克服发动机阻力矩且拖动转速大于发动机最低拖动转速)，试验结果如图4—6 所示。

初始点火提前角为7°和-3°时，在起动过程中都出现转速跌落至50 r/min 以下的情况，而且发动机转速最多只能上冲到500 r/min 左右，难以保证起动成功;初始点火提前角为3°时，能顺利起动发动机。由此可见，合理地选择初始点火提前角是非常重要的。

1.3 点火系统

电喷点火系统的工作原理是:发动机运行时，电子控制单元(ECU)不断地采集发动机的转速、负荷、冷却水的温度、进气温度等信号，并根据存储器中存储的有关程序和数据，确定出该工况下最佳点火提前角和初级电路的最佳导通角，并以此向点火控制模块发出指令，控制点火线圈初级回路的导通和截止。当电路导通时，有电流从点火线圈中的初级线圈通过，点火线圈此时将点火能量以磁场的形式储存起来。当初级线圈中的电流被切断时，在次级线圈中将产生很高的感应电动势，经分电器送至工作气缸的火花塞，点火能量被瞬间释放，点燃气缸内的混合气，发动机完成做功过程。此外，在带有爆燃传感器的点火提前角闭环控制系统中，ECU 还可根据爆燃传感器的输入信号来判断发动机的爆燃程度，并将点火提前角控制在轻微爆燃的范围内，使发动机能获得较高的燃烧效率。因此，点火系统的研究范畴主要集中在点火提前角、通电时间、爆震和点火能量上，其中点火能量与通电时间密切相关。而在冷起动中，点火能量的影响非常大，文中就这一因素进行深入探讨。

点火系统必须保证提供给发动机足够的能量以点燃不同工况下发动机燃烧室内的可燃混合气。点火能量过低，发动机的功率、扭矩下降，油耗上升，排放变差，甚至造成发动机停机。点火能量过高，会造成能量浪费，同时降低点火系统的寿命。点火能量的计算公式如下:

式中:w 为点火能量;t 为火花持续时间;i 为次级点火电流;V 为次级点火电压;n 为采样点数;i (k)为次级点火电流第k次采样值;V (k)为次级点火电压第k 次采样值。

点火能量的测试必须模拟车辆实际情况，为此用三针放电器来代替火花塞，如图7 所示。在点火线圈次级输出端安装电压探头和电流探头即可进行次级点火电流i 和次级点火电压V的测试。

在冷起动过程中，由于汽油的颗粒度较常温下大得多，挥发性较差，空气的湿度较常温下也比较大，因此，形成的混合气的燃烧浓度范围较窄、火焰传播速度较慢、着火温度要求较高，需要提供较大的点火能量。但是，高的点火能量会增加点火系统的成本，同时也使击穿电压增大，而过高的击穿电压很容易造成火花塞电极的烧蚀，从而缩短火花塞的使用寿命，并使其工作可靠性降低，因此，应将点火能量限制在适当的范围内。

下面就针对不同点火能量(34、48、65 mJ)的点火线圈来进行冷起动试验(起动系统及电喷数据不变)，试验结果如图8—10 所示。

点火能量为34 mJ 时，起动过程中由于混合气的燃烧范围较窄、传播速度较慢，难以点燃混合气，只有两个汽缸着火成功，转速维持在500 r/min 左右;当点火能量上升到48 mJ 时，能保证发动机在10 s 左右起动成功;点火能量继续增大到65 mJ 后，很快将混合气点燃，2 s 左右发动机起动成功。因此，点火能量对冷起动的贡献是巨大的，在冷起动这样恶劣的环境下将混合气点燃对冷起动至关重要。但是，并不是点火能量越大越好，就文中的试验来看，点火能量为65 mJ 固然使得冷起动性能较好，但是由于其本身的成本因素以及在常温下使得火花塞的寿命缩短，所以并不推荐采用，点火能量为48 mJ 比较适宜。