宋文星，姜秀芬

（濰坊市技師學(xué)院，山東 濰坊 261000）

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市化和中產(chǎn)階層的崛起，對(duì)汽車的消費(fèi)需求也在不斷增加，目前我國(guó)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車仍占據(jù)了很大的市場(chǎng)比例。但在冬季低溫環(huán)境下，汽油車因進(jìn)氣溫度較低，一是會(huì)導(dǎo)致汽車啟動(dòng)困難，二是為滿足車輛正常行駛，會(huì)噴射更多燃料，造成可燃混合氣濃度高，增加燃料費(fèi)用，造成使用成本的提高和環(huán)境污染的加重。為改善這種情況，筆者研究了低溫環(huán)境對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和車輛行駛性能的影響以及低溫環(huán)境下發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況 ，精心研究并設(shè)計(jì)了改善汽油發(fā)動(dòng)機(jī)低溫工作性能的裝置，用來(lái)降低燃料費(fèi)用，以及減少?gòu)U氣排放，對(duì)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，達(dá)到了比較理想的效果。

發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的核心部件，而進(jìn)氣系統(tǒng)則是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，進(jìn)氣系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，從而影響整機(jī)性能和環(huán)保性。進(jìn)氣系統(tǒng)的主要作用是為發(fā)動(dòng)機(jī)提供清潔、干燥、充足的空氣。改善汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣狀態(tài)，改良發(fā)動(dòng)機(jī)汽油混合情況，點(diǎn)火情況，確保燃燒良好，可以有效提升汽油利用率，降低尾氣排放污染情況。從而達(dá)到經(jīng)濟(jì)價(jià)值，社會(huì)效益的有效提高。

以下從三個(gè)方面闡述筆者對(duì)低溫環(huán)境下汽油發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能環(huán)保裝置的研究

1 低溫環(huán)境對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)及車輛行駛的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)溫度過(guò)低，使混合氣點(diǎn)火困難，燃燒緩慢，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降，燃油消耗增加。由于溫度太低，沒有蒸發(fā)的燃油，冷凝后進(jìn)入曲軸箱，不僅增加了燃油消耗，而且使機(jī)油稀釋，影響了正常潤(rùn)滑。發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)，尤其是在低溫環(huán)境下能夠迅速可靠的啟動(dòng)，是生活中用車的前提。汽油車在低溫環(huán)境下行駛，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的氣體會(huì)因發(fā)動(dòng)機(jī)溫度過(guò)低，使它的點(diǎn)燃變得更困難或者更緩慢，這樣以來(lái)，發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際功率就會(huì)降低，油耗也會(huì)增大。所以汽油車輛在低溫環(huán)境下工作時(shí)，需要改變影響發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的因素，來(lái)提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作可靠性、降低啟動(dòng)磨損、減少燃油消耗。而低溫影響發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)的因素很多，下面主要分析以下幾種。

1.1 低溫環(huán)境下，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油黏度增大

潤(rùn)滑系統(tǒng)是汽油發(fā)動(dòng)機(jī)重要的組成系統(tǒng)，潤(rùn)滑的機(jī)油分布在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，可以減少對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的摩擦和動(dòng)力損失。從機(jī)油的流動(dòng)性、黏度等特性看，隨溫度的降低而機(jī)油黏度增大，機(jī)油流動(dòng)性降低。發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油黏度增大，會(huì)增加機(jī)械部件運(yùn)動(dòng)時(shí)的移動(dòng)阻力。機(jī)油黏度增大時(shí)，曲軸旋轉(zhuǎn)阻力增大，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速降低，造成啟動(dòng)困難。低溫環(huán)境會(huì)影響汽油發(fā)動(dòng)機(jī)流動(dòng)性，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系機(jī)油流動(dòng)性差，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)部件的潤(rùn)滑效果，也會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降，耗能上升。

1.2 低溫環(huán)境下，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的汽油氣化不良

汽油作為汽油車的供能燃料，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)性能的影響主要是因?yàn)槠偷恼舭l(fā)性。相比于柴油，汽油具有易揮發(fā)，燃點(diǎn)低等特性，但是低溫對(duì)于汽油的蒸發(fā)性影響也較大。當(dāng)溫度較低時(shí)，汽油的黏性和密度會(huì)增大，當(dāng)溫度下降30℃后，汽油的黏度提高70%左右，密度會(huì)增加10%左右，這樣就使汽油的流動(dòng)性變差，霧化不良。另外低溫的發(fā)動(dòng)機(jī)部件本身會(huì)吸收熱量，影響了混合氣的溫度，對(duì)燃油氣化不利，致使大部分燃油以液態(tài)進(jìn)入汽缸，造成實(shí)際混合氣過(guò)稀，發(fā)動(dòng)機(jī)不易啟動(dòng)。因低溫而沒有充分氣化的汽油在發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞和活塞環(huán)等摩擦面上產(chǎn)生油膜，導(dǎo)致機(jī)油無(wú)法達(dá)到最佳的潤(rùn)滑性能，泵送阻力增加，潤(rùn)滑效果變差，也會(huì)增加發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損。

1.3 低溫環(huán)境下，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)火花塞不易點(diǎn)燃

低溫環(huán)境影響車輛的蓄電池電能，造成點(diǎn)火線圈初級(jí)線圈能量不足從而直接影響火花塞的點(diǎn)火。同樣，在低溫環(huán)境下，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)的混合氣體密度大，霧化極端不良，從而要求火花塞點(diǎn)火時(shí)的電壓提高。由于低溫時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)被連續(xù)拖動(dòng)的時(shí)間較長(zhǎng)，進(jìn)入汽缸的混合氣過(guò)多，使火花塞的電極被燃油濡濕，或者由于斷斷續(xù)續(xù)的不完全燃燒，產(chǎn)生碳煙，造成火花塞的污垢，使絕緣阻抗增大，因此進(jìn)氣溫度低間接影響了火花塞的正常點(diǎn)火，使發(fā)動(dòng)機(jī)低溫啟動(dòng)困難。

1.4 低溫環(huán)境下，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)件磨損加劇

低溫下的啟動(dòng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損是相當(dāng)嚴(yán)重的，約占發(fā)動(dòng)機(jī)總的使用磨損量的50%-75%，也就是說(shuō)，一臺(tái)新的發(fā)動(dòng)機(jī)用到磨損極限時(shí)，其中有1／2-3／4 的磨損不是在有效工作階段，而是在發(fā)動(dòng)機(jī)的準(zhǔn)備工作時(shí)期。因此，冷態(tài)啟動(dòng)和暖機(jī)狀態(tài)下的磨損是影響發(fā)動(dòng)機(jī)壽命的決定因素之一。

1.5 低溫環(huán)境下，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)油耗增加

當(dāng)溫度較低時(shí)，燃油的霧化和蒸發(fā)性很差。此時(shí)進(jìn)入氣缸的混合氣體濃度比較低，達(dá)不到正常工作的要求，必須提供較多的燃油，這實(shí)際上就增加了耗油量。同時(shí)因?yàn)榄h(huán)境溫度低，電控發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)修正也會(huì)增加汽油的消耗。發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣溫度影響進(jìn)氣密度，ECU 根據(jù)進(jìn)氣溫度傳感器提供的低溫進(jìn)氣信號(hào)修正噴油的時(shí)間，使空燃比滿足燃燒的要求，這樣就會(huì)增加噴油量，倒是發(fā)動(dòng)機(jī)油耗增加。在進(jìn)氣溫度低于20°C 時(shí)，噴油量會(huì)增加，確?；旌蠚獠恢劣谶^(guò)稀，當(dāng)進(jìn)氣溫度高于20°℃時(shí)空氣密度會(huì)減少，此時(shí)為了防止混合氣過(guò)濃，會(huì)減少噴油量。這也就是在北方冬季行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗增加的根本原因。

2 低溫環(huán)境下，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和運(yùn)行工況

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度越高，燃油混合氣效能越高

當(dāng)汽油溫度低，進(jìn)氣系統(tǒng)和氣缸中的汽油不能很好地霧化與蒸發(fā)，也不能與空氣形成均勻的混合氣，以致燃燒不良。當(dāng)汽油溫度提升后，汽油揮發(fā)性提高。汽油經(jīng)過(guò)噴射系統(tǒng)進(jìn)入氣缸或者進(jìn)氣管后快速揮發(fā)，與空氣供給系的空氣混合形成可燃混合氣，此時(shí)混合氣溫度較高，燃油混合氣效能提升，經(jīng)火花塞產(chǎn)生的火花非常容易點(diǎn)燃，在燃燒室內(nèi)劇烈燃燒，產(chǎn)生強(qiáng)大推動(dòng)力。高溫的混合氣中汽油含量低，降低燃料成本，充分燃燒后，可降低尾氣中有害氣體的排放。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度過(guò)高，會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)充氣率下降，以及其他故障

從公式中可以看出影響發(fā)動(dòng)機(jī)充氣率的因素有: 殘余廢氣系數(shù)γ，壓縮比ε，配氣相位ζ，進(jìn)氣終了溫度Ta，進(jìn)氣阻力ΔPa，進(jìn)氣終了壓力Pa，以及負(fù)荷。

從充氣率的計(jì)算公式可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣溫度與氣缸的充氣率成反比，即進(jìn)氣溫度越高，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的充氣率越低。所以在進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)相同，扭矩相同情況下，如果進(jìn)氣溫度較大，會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣充氣率。高溫環(huán)境下，燃燒室內(nèi)空氣含量低，可能會(huì)導(dǎo)致混合氣不易燃燒，或者混合氣過(guò)濃，產(chǎn)生能量浪費(fèi)，不充分燃燒后排放污染氣體加劇。

除了造成充氣率下降外，進(jìn)氣溫度過(guò)高，還會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)爆震。當(dāng)活塞向上運(yùn)行以壓縮可燃混合物時(shí)，可燃混合物的壓力和溫度將在此時(shí)上升。如果可燃混合物在火花塞點(diǎn)火前燃燒，這是爆震現(xiàn)象。此時(shí)活塞向上運(yùn)行，但燃燒的可燃混合氣會(huì)將活塞向下推，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)功率下降、油耗增加的現(xiàn)象。劇烈的爆震也會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)連桿變形，活塞爆炸。如果出現(xiàn)這種情況，維修成本會(huì)非常高。

2.3 保持最佳進(jìn)氣溫度，汽油充分燃燒，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排

在低溫環(huán)境啟動(dòng)時(shí)下，一般汽油車會(huì)大量噴射燃油，加大發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣濃度，以及通過(guò)現(xiàn)在汽車用到的高能量點(diǎn)火系來(lái)做到低溫啟動(dòng)。在此過(guò)程中雖然可以使車輛啟動(dòng)容易，但是燃油浪費(fèi)，造成一定能源損耗以及經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。同樣汽油車啟動(dòng)后在行駛過(guò)程中，因?yàn)檫M(jìn)氣溫度較低，雖然一定程度增加了氧含量，但是為保證車輛正常運(yùn)行，噴油器依然大量噴射汽油。所以保證進(jìn)氣溫度恒定在理想狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)電腦收集進(jìn)氣溫度傳感器數(shù)據(jù)，控制噴油器噴射適量汽油，可以一定程度上減少能源損耗，實(shí)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)價(jià)值的提高。

在適當(dāng)充氣率的前提下，低溫環(huán)境下用加熱裝置提高進(jìn)氣溫度，保證進(jìn)氣溫度的恒定，并保持在最佳溫度。可以提高汽油蒸發(fā)率，使汽油與空氣充分混合。在低溫環(huán)境下，可以使汽車容易啟動(dòng)及行駛過(guò)程燃燒更加良好。

3 低溫環(huán)境下汽車節(jié)能環(huán)保裝置的研究

在冬季溫度較低時(shí)，為滿足發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)功率需求，會(huì)加大汽油的噴射。這樣會(huì)造成車輛能量損耗，而且濃度較高的混合氣，無(wú)法充分燃燒，會(huì)導(dǎo)致有害氣體排到大氣中，造成環(huán)境污染。低溫下發(fā)動(dòng)機(jī)性能被影響主要是內(nèi)部混合氣溫度較低，不容易達(dá)到燃燒點(diǎn)，所以在低溫下應(yīng)該主要提高可燃混合氣的溫度，也就是提升進(jìn)氣溫度并保持在恒定的溫度。

在低溫環(huán)境下汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，主要在兩個(gè)運(yùn)行階段被影響。第一個(gè)階段是低溫環(huán)境下汽車啟動(dòng)時(shí)，汽油車輛也會(huì)出現(xiàn)啟動(dòng)困難的問(wèn)題，此時(shí)進(jìn)氣溫度較低，發(fā)動(dòng)機(jī)自身、冷卻系、燃油供給系等為環(huán)境溫度。第二階段車輛行駛一段時(shí)間后，此時(shí)雖然冷卻系統(tǒng)及發(fā)動(dòng)機(jī)自身溫度上升，但是進(jìn)氣溫度依然為環(huán)境溫度。

汽油車啟動(dòng)時(shí)，可設(shè)計(jì)一種低溫環(huán)境下汽油發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能環(huán)保裝置，包括進(jìn)氣溫度傳感器、ECU、電磁閥、中空進(jìn)氣歧管、電熱絲。進(jìn)氣溫度傳感器測(cè)量進(jìn)氣溫度，并與ECU 連接，汽車啟動(dòng)時(shí)，所述ECU 判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣溫度來(lái)控制環(huán)繞中控進(jìn)氣歧管的加熱絲，加熱進(jìn)氣歧管，讓進(jìn)氣溫度上升。

汽油車行駛時(shí)，可設(shè)計(jì)一種低溫環(huán)境下汽油發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能環(huán)保裝置，包括進(jìn)氣溫度傳感器、ECU、電磁閥、中空進(jìn)氣歧管、電熱絲。進(jìn)氣溫度傳感器測(cè)量進(jìn)氣溫度，并與ECU 連接，汽車正常行駛時(shí)，所述ECU 判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣溫度來(lái)控制冷卻系統(tǒng)的電磁閥開啟，電磁閥控制冷卻系高溫水，高溫水進(jìn)入中空進(jìn)氣歧管外層從而加熱內(nèi)層進(jìn)氣溫度。

根據(jù)充氣率、進(jìn)氣溫度、汽油溫度等影響發(fā)動(dòng)機(jī)功率的因素，設(shè)計(jì)該電控恒溫加熱進(jìn)氣裝置加熱進(jìn)氣溫度，間接加熱汽油溫度。可有效為低溫環(huán)境下的汽油車提供著火條件以及降低啟動(dòng)時(shí)的阻力?？稍鰪?qiáng)低溫環(huán)境下車輛的汽油揮發(fā)性，提高可燃混合氣的效能，降低車輛在低溫環(huán)境下行駛時(shí)的噴油量。進(jìn)氣溫度控制在最佳溫度下，使混合氣空燃比接近理論數(shù)值14.7，減少汽油車的燃料費(fèi)用，降低車輛尾氣排放中的污染物。其設(shè)計(jì)思路如下：

3.1 啟動(dòng)時(shí)恒溫加熱裝置

汽車啟動(dòng)階段，可設(shè)計(jì)一種低溫環(huán)境下汽油發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能環(huán)保裝置如上圖（圖1），包括前進(jìn)氣溫度傳感器6，該傳感器收集進(jìn)氣溫度參數(shù)，并將信號(hào)傳遞給ECU，如果進(jìn)氣溫度低于最佳混合氣燃燒溫度，則ECU 控制環(huán)繞在中控進(jìn)氣歧管3 的加熱絲9，加熱進(jìn)氣歧管3，讓進(jìn)氣溫度上升，使混合氣達(dá)到最佳燃燒溫度，從而起到節(jié)能減排的作用。

圖1 加熱裝置

3.2 啟動(dòng)后行駛過(guò)程中，利用冷卻液溫度加熱進(jìn)氣空氣。

汽車行駛階段，可設(shè)計(jì)一種低溫環(huán)境下汽油發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能環(huán)保裝置如上圖（圖1），包括前進(jìn)氣溫度傳感器6，該傳感器收集進(jìn)氣溫度參數(shù)，并將信號(hào)傳遞給ECU，如果進(jìn)氣溫度低于最佳混合氣燃燒溫度，則ECU 控制電磁閥2 的打開，冷卻系高溫水流入中空進(jìn)氣歧管3 外層，高溫水1 加熱進(jìn)氣歧管3 內(nèi)層進(jìn)氣，使混合氣達(dá)到最佳燃燒溫度，從而起到節(jié)能減排的作用。

該電控恒溫進(jìn)氣加熱裝置用于加熱吸入氣缸的空氣或混合氣，從而使其達(dá)到著火時(shí)所需的溫度條件。低溫環(huán)境下，車輛啟動(dòng)時(shí)通過(guò)纏繞在進(jìn)氣歧管上的加熱絲來(lái)加熱進(jìn)氣，車輛行駛時(shí)通過(guò)冷卻系的冷卻液加熱進(jìn)氣，在發(fā)動(dòng)機(jī)電腦的控制下保持進(jìn)氣溫度在40-50℃。能夠?qū)崿F(xiàn)在低溫環(huán)境中，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和運(yùn)行時(shí)，進(jìn)氣溫度滿足汽油發(fā)動(dòng)機(jī)理論值，達(dá)到易于點(diǎn)火，降低點(diǎn)火能量，適當(dāng)增加汽油蒸發(fā)性，增強(qiáng)油汽混合效果，從而實(shí)現(xiàn)燃燒更充分，低溫混合氣稀薄，有效減少尾氣排放。

基于以上理論研究及不斷實(shí)踐改進(jìn)，筆者根據(jù)多年從事汽車發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)訓(xùn)操作的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)并研制了這套低溫環(huán)境下汽油發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能環(huán)保裝置，該裝置已于2023.3.14 獲得國(guó)家實(shí)用新型專利（專利號(hào)：ZL202223349663.3），并經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)效果良好，有效的改善了發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫下啟動(dòng)出現(xiàn)的點(diǎn)火困難，燃燒緩慢，油耗增加的現(xiàn)象，達(dá)到了節(jié)能減排的目的。

汽車行業(yè)是一個(gè)朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，也是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)，對(duì)于汽車領(lǐng)域的任何一項(xiàng)革新，一項(xiàng)發(fā)明，一旦進(jìn)入實(shí)際使用階段，其實(shí)用性及可靠性得到驗(yàn)證，會(huì)給產(chǎn)業(yè)鏈帶來(lái)巨大的價(jià)值，筆者認(rèn)為，低溫環(huán)境下汽油發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能環(huán)保裝置用于汽車汽油發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域也一定會(huì)對(duì)提高汽車使用壽命、節(jié)能減排起到很好的作用。