發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)暖機(jī)過程改善措施的試驗(yàn)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(dòng)力機(jī)械及車輛工程研究所，杭州 310027)

前言

為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的，從發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)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(gè)重要的途徑。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)暖機(jī)過程指的是發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火成功后，機(jī)內(nèi)冷卻水和機(jī)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(dòng)、起動(dòng)、后起動(dòng)和暖機(jī)4個(gè)階段。該過程歷時(shí)較長，直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)各總成的磨損和整機(jī)的排放［1－2］。在工況法試驗(yàn)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(dòng)機(jī)起動(dòng)后的怠速40s暖機(jī)時(shí)間，并于2002年要求初始的測試溫度達(dá)到－7℃［3－4］，發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)初期產(chǎn)生的 THC 和 CO 排放會比常溫起動(dòng)增加很多［5］。研究表明起動(dòng)階段的最初300s的CO和THC的排放占整個(gè)排放測試階段中的60% ～80%［6－7］，由此可見研究降低冷起動(dòng)和暖機(jī)過程的排放顯得尤為重要。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)起動(dòng)階段，特別是低溫冷起動(dòng)階段，由于其水溫和潤滑油溫度低，使發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損嚴(yán)重，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和使用壽命［8］。

鑒于冷起動(dòng)和暖機(jī)過程給發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)狀態(tài)等方法改善起動(dòng)排放［12－14］。

本文中著重于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)起動(dòng)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(dòng)機(jī)起動(dòng)暖機(jī)過程的影響，探索縮短暖機(jī)時(shí)間，減小發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)危害，改善發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能的有效途徑。

1 試驗(yàn)臺架搭建

1.1 試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)

采用國產(chǎn)某型汽油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

在發(fā)動(dòng)機(jī)臺架上進(jìn)行試驗(yàn)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(yàn)主要儀器和傳感器

1.3 電加熱器設(shè)計(jì)

試驗(yàn)研究過程中采用電加熱方式給發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水提供熱源，為此設(shè)計(jì)一個(gè)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(dòng)機(jī)可靠性等因素，將該加熱器設(shè)計(jì)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(jìn)行調(diào)節(jié)。

1.4 系統(tǒng)布置

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

表3 臺架試驗(yàn)主要測量參數(shù)

2 試驗(yàn)方案

根據(jù)調(diào)整不同的加熱方式、加熱功率、預(yù)熱時(shí)間和熱機(jī)溫度等設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，測試加熱器對發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)暖機(jī)過程的影響。

試驗(yàn)方案分為原機(jī)、同步加熱、預(yù)熱、熱機(jī)4個(gè)基礎(chǔ)方案，以及預(yù)熱聯(lián)合同步加熱、熱機(jī)聯(lián)合同步加熱兩個(gè)組合方案，試驗(yàn)前冷卻水溫和機(jī)油溫度約為10℃。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 同步加熱試驗(yàn)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(jìn)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(dòng)機(jī)有一定差異。同步加熱是指起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的同時(shí)打開加熱器開關(guān)，利用加熱器對發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)冷卻水進(jìn)行同步加熱。根據(jù)功率大小分為0、2、4、6、8和10kW 6個(gè)試驗(yàn)方案，功率為0時(shí)不加熱。

試驗(yàn)表明同步加熱條件下發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水、機(jī)油、排氣溫升和轉(zhuǎn)速在起動(dòng)和暖機(jī)過程中的變化趨勢與原機(jī)條件下基本一致。以10kW同步加熱方案為例，圖2為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水和機(jī)油的溫升曲線，圖3為發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)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(jī)未安裝加熱器條件。缸蓋水溫升至85℃，0kW功率所需時(shí)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(shí)間。可見，加熱器的安裝使用對油溫的溫升有促進(jìn)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)在較高轉(zhuǎn)速停留的時(shí)間，使排氣最高區(qū)域溫度略低。

3.2 預(yù)熱和熱機(jī)試驗(yàn)結(jié)果分析

預(yù)熱方案是指在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)之前讓加熱器先工作一段時(shí)間，起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的同時(shí)停止加熱。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，水泵帶動(dòng)冷卻水循環(huán)，發(fā)動(dòng)機(jī)及加熱器內(nèi)的冷卻水進(jìn)行混合，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水初始溫度提高。預(yù)熱功率采用10kW，根據(jù)加熱時(shí)間不同分為100、150、200和250s 4個(gè)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(dòng)機(jī)冷卻水初始溫度對發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)暖機(jī)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(jī)起動(dòng)方案是指在發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后，讓其自然冷卻，當(dāng)溫度降至一定溫度時(shí)進(jìn)行起動(dòng)試驗(yàn)。根據(jù)熱機(jī)起動(dòng)溫度的設(shè)定分4個(gè)試驗(yàn)方案，分別為40、50、54和63℃起動(dòng)。本方案意義在于可模擬在發(fā)動(dòng)機(jī)開機(jī)之前采用電子水泵聯(lián)合加熱器預(yù)先對發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水進(jìn)行加熱，冷卻水的熱量同時(shí)傳遞給機(jī)體，可達(dá)到同時(shí)預(yù)熱機(jī)體和冷卻液的目的。

圖7為預(yù)熱和熱機(jī)方案水溫溫升時(shí)間。由圖7可見，熱機(jī)和預(yù)熱同樣可以將冷卻水提高至相同溫度，但是起動(dòng)后的溫升現(xiàn)象差別較大，主要表現(xiàn)為同樣的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水水溫下熱機(jī)的溫升時(shí)間要遠(yuǎn)小于預(yù)熱的溫升時(shí)間。這主要是由于熱機(jī)的機(jī)體溫度與水溫相同，而預(yù)熱條件下機(jī)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(shí)間和不同熱機(jī)溫度條件下排氣溫升曲線圖。可看出隨預(yù)熱時(shí)間的延長或熱機(jī)溫度的升高，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫升變得緩慢。前400s內(nèi)，隨著預(yù)熱時(shí)間的延長或熱機(jī)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(dòng)機(jī)混合水溫較高，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低造成的。

3.3 聯(lián)合試驗(yàn)結(jié)果分析

預(yù)熱和同步加熱聯(lián)合方案是指在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)前，加熱器通電采用10kW功率加熱一定時(shí)間，并在起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)后采用2kW功率保持同步加熱。

根據(jù)預(yù)熱時(shí)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(gè)試驗(yàn)方案。

熱機(jī)和同步加熱聯(lián)合方案是指在發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后，讓其自然冷卻，當(dāng)降至一定溫度時(shí)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，并同時(shí)打開加熱器，采用2kW功率對冷卻水進(jìn)行同步加熱。本組試驗(yàn)根據(jù)熱機(jī)起動(dòng)溫度的設(shè)定由3個(gè)方案組成，分別是45℃熱機(jī)聯(lián)合2kW同步加熱、50℃熱機(jī)聯(lián)合2kW同步加熱、55℃熱機(jī)聯(lián)合2kW同步加熱。

圖10為聯(lián)合試驗(yàn)條件下發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋和缸體溫升時(shí)間圖。對比圖7可發(fā)現(xiàn)，熱機(jī)和同步加熱聯(lián)合條件下的水溫溫升時(shí)間進(jìn)一步縮短，相比無同步加熱的50℃熱機(jī)條件，缸蓋水溫溫升至85℃時(shí)間從542s降至338s，降幅達(dá)204s，降低為原來的62.4%。55℃熱機(jī)聯(lián)合2kW同步加熱條件和無同步加熱的54℃熱機(jī)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(shí)間有進(jìn)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(dòng)機(jī)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(jī)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(yàn)條件對于初期的急劇溫升沒有明顯改變，使發(fā)動(dòng)機(jī)溫度高區(qū)域有所降低。

另外，輔助加熱的實(shí)施可縮短暖機(jī)時(shí)間，減少摩擦磨損，同時(shí)降低暖機(jī)過程的燃油消耗。試驗(yàn)表明:原機(jī)怠速起動(dòng)暖機(jī)過程消耗燃油240.3g;而同步加熱4kW方案的起動(dòng)暖機(jī)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(dòng)機(jī)起動(dòng)暖機(jī)過程中目標(biāo)水溫和油溫建立的時(shí)間有較大縮短，加熱功率越大改善效果越明顯。與原機(jī)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(shí)間越長越能縮短發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)暖機(jī)過程目標(biāo)水溫和油溫的建立時(shí)間，相同情況下熱機(jī)方案隨熱機(jī)溫度的提高縮短時(shí)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(jī)時(shí)間的目的。

(4)預(yù)熱基礎(chǔ)方案和熱機(jī)基礎(chǔ)方案聯(lián)合同步加熱基礎(chǔ)方案后的組合方案，進(jìn)一步擴(kuò)大了基礎(chǔ)方案對發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)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(jī)方案下發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)初始冷卻水溫較高，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速偏低，這有利于降低起動(dòng)階段的發(fā)動(dòng)機(jī)污染物排放。

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