電噴汽油機冷起動性能研究

何文，王文璽，干能強，李旭

(中國長安汽車工程研究院，重慶401120)

0 前言

發動機起動性能是判斷發動機是否合格的關鍵性指標之一。過低的環境溫度易導致潤滑油的黏度升高，起動阻力矩增加，起動轉速降低，同時缸內的燃油霧化效果較差，造成發動機起動困難。

中國地域廣闊，尤其是北方地區，冬季氣溫很低，車輛起動困難現象較普遍。因此，研究整車在低溫下的起動性能是非常必要的。國內主要主機廠包括一汽、上汽、東風、長安等都有低溫倉進行整車冷起動試驗，同時也會在冬天到黑河等極寒地區進行冷起動的匹配和驗證。

但是，整車冷起動是一個比較復雜的系統工程，牽涉的系統較多。但是，國內外對冷起動研究較多的主要是柴油發動機，主要是從預熱加熱裝置、起動系統、排氣系統等方面進行研究;汽油發動機的冷起動研究相對較少，主要是從排放性能來進行研究，但是對于影響整車冷起動的相關子系統并沒有單獨進行分析。為此，作者從相關的子系統出發對電噴汽油機冷起動進行深入的研究。

影響電噴汽油機冷起動的因素除發動機本體外，主要的影響因素是起動系統、點火系統和電噴系統。為此，以JL474QB發動機為對象，在實車上針對這3 個系統采取不同的方案，研究其在-30 ℃條件下對冷起動的影響(起動成功的標志是在10 s 內發動機轉速能達到1 000 r/min 以上)。這對國內的冷起動性能研究具有指導作用，為進一步揭示冷起動困難的機制提供參考。

1 冷起動影響因素研究

1.1 起動系統

發動機起動時，必須克服氣缸內被壓縮氣體的阻力和發動機本身及附件內相對運動的摩擦阻力。同時為了防止氣缸漏氣和熱量散失過多，保證壓縮終止時氣缸內有足夠的壓力和溫度以及燃油系統建立足夠的噴射壓力和足夠強度的空氣渦流，就要求起動轉速必須足夠的高。綜上所述，克服起動阻力矩和產生足夠的起動轉速是發動機順利起動的必備條件。

在進行起動電機和發動機機械特性的匹配時，可得到如圖1 所示的匹配圖。由對應于某個計算溫度的曲線交點，可確定起動電機帶動曲軸旋轉的穩定轉速。如果在給定的低溫條件下，滿足起動轉速nnp不小于最低起動轉速nmin，則認為此系統可以滿足設計條件。

在保證蓄電池CCA 值滿足起動電機工作點需求的前提下，分別采用1.0 kW 起動電機和1.2 kW 起動電機進行冷起動試驗，試驗結果如圖2 和圖3 所示。

帶1.0 kW 起動電機的發動機在進行冷起動試驗時，拖動轉速在95 r/min 左右，而且起動過程中起動系統不足以克服發動機的阻力矩而導致兩次轉速為0 的情況，轉速不能迅速上沖從而導致冷起動失敗。帶1.2 kW 起動電機的發動機在進行冷起動試驗時，拖動轉速在123 r/min 左右，冷起動成功。由此可見，起動系統必須在克服發動機低溫阻力矩的前提下，拖動轉速大于發動機需求轉速方可保證起動成功。

1.2 電噴系統

電噴系統的主要任務是協調發動機中的各個子系統，以調整發動機產生的扭矩，并要同時實現對排放、油耗、功率、舒適性和安全性的要求，并對各個子系統進行診斷。其控制的內容包括汽缸進氣量的控制、燃油供給、混合氣的形成以及點火定時等。

在冷起動過程中，電噴系統中涉及到的量主要有點火提前角、空燃比、噴油時間、進氣量、噴油相位等。下面針對點火提前角進行討論。

氣缸內的混合氣從火花塞點火到燃燒需要一定的時間。試驗表明，在燃燒做功過程中，當最高燃燒壓力出現在上止點后10°左右時，發動機的輸出功率最大。為了使發動機輸出功率最大，點火時刻不在壓縮行程上止點開始，而應適當提前一定角度。

如果點火提前角過小，發動機輸出功率下降，燃油消耗增加;如果點火提前角過大，輸出功率也會下降，還極易產生爆震。點火提前角的選取主要與發動機轉速、發動機負荷、汽油辛烷值等相關。

冷起動過程中點火提前角的選取極為關鍵:點火提前角過小會導致動力不足，不足以克服發動機阻力矩而出現發動機轉速掉為0 的情況;點火提前角過大，會導致爆震，或者是活塞還未到達上止點，汽缸內已經有燃燒現象，對活塞進行反沖作用，使得活塞被卡死，發動機轉速突然掉為0。但是，當發動機轉速達到一定的閾值時，點火提前角必須隨轉速增加，以得到相對應的輸出功率。

在進行給排水設計中，合理的安排空調的安裝位置，根據實際情況統一設置。對于空調凝結水的排放要合理安排，將其引導到鄰近的雨水井中，避免因為設計原因而影響到鄰居的生活。

下面選取初始點火提前角為7°、3°和-3°來進行冷起動試驗(起動系統及其他電噴數據不變，起動系統能克服發動機阻力矩且拖動轉速大于發動機最低拖動轉速)，試驗結果如圖4—6 所示。

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

1.3 點火系統

電噴點火系統的工作原理是:發動機運行時，電子控制單元(ECU)不斷地采集發動機的轉速、負荷、冷卻水的溫度、進氣溫度等信號，并根據存儲器中存儲的有關程序和數據，確定出該工況下最佳點火提前角和初級電路的最佳導通角，并以此向點火控制模塊發出指令，控制點火線圈初級回路的導通和截止。當電路導通時，有電流從點火線圈中的初級線圈通過，點火線圈此時將點火能量以磁場的形式儲存起來。當初級線圈中的電流被切斷時，在次級線圈中將產生很高的感應電動勢，經分電器送至工作氣缸的火花塞，點火能量被瞬間釋放，點燃氣缸內的混合氣，發動機完成做功過程。此外，在帶有爆燃傳感器的點火提前角閉環控制系統中，ECU 還可根據爆燃傳感器的輸入信號來判斷發動機的爆燃程度，并將點火提前角控制在輕微爆燃的范圍內，使發動機能獲得較高的燃燒效率。因此，點火系統的研究范疇主要集中在點火提前角、通電時間、爆震和點火能量上，其中點火能量與通電時間密切相關。而在冷起動中，點火能量的影響非常大，文中就這一因素進行深入探討。

點火系統必須保證提供給發動機足夠的能量以點燃不同工況下發動機燃燒室內的可燃混合氣。點火能量過低，發動機的功率、扭矩下降，油耗上升，排放變差，甚至造成發動機停機。點火能量過高，會造成能量浪費，同時降低點火系統的壽命。點火能量的計算公式如下:

式中:w 為點火能量;t 為火花持續時間;i 為次級點火電流;V 為次級點火電壓;n 為采樣點數;i (k)為次級點火電流第k次采樣值;V (k)為次級點火電壓第k 次采樣值。

點火能量的測試必須模擬車輛實際情況，為此用三針放電器來代替火花塞，如圖7 所示。在點火線圈次級輸出端安裝電壓探頭和電流探頭即可進行次級點火電流i 和次級點火電壓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、火焰傳播速度較慢、著火溫度要求較高，需要提供較大的點火能量。但是，高的點火能量會增加點火系統的成本，同時也使擊穿電壓增大，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，應將點火能量限制在適當的范圍內。

下面就針對不同點火能量(34、48、65 mJ)的點火線圈來進行冷起動試驗(起動系統及電噴數據不變)，試驗結果如圖8—10 所示。

點火能量為34 mJ 時，起動過程中由于混合氣的燃燒范圍較窄、傳播速度較慢，難以點燃混合氣，只有兩個汽缸著火成功，轉速維持在500 r/min 左右;當點火能量上升到48 mJ 時，能保證發動機在10 s 左右起動成功;點火能量繼續增大到65 mJ 后，很快將混合氣點燃，2 s 左右發動機起動成功。因此，點火能量對冷起動的貢獻是巨大的，在冷起動這樣惡劣的環境下將混合氣點燃對冷起動至關重要。但是，并不是點火能量越大越好，就文中的試驗來看，點火能量為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，點火能量為48 mJ 比較適宜。

2 結論

冷起動的匹配比較復雜，牽涉到發動機進排氣系統、起動系統、電噴系統、點火系統等，由于各個系統的聯系非常緊密，各個參數在進行性能優化時都必須考慮對其他系統的影響。從起動系統、電噴系統和點火系統的某些參數進行研究，獨立分析它們對冷起動性能的影響，在試驗數據的基礎上找到最佳匹配點，保證低溫冷起動的成功。

【1】金巧蘭.起動機與發動機的性能匹配［J］.重慶理工大學學報:自然科學，2010，24(12):127 -129.

【2】費棟梁，徐劍飛，宋國民，等. 車用高壓共軌柴油機冷起動性能研究［J］.現代車用動力，2010(3):35-38.

【3】邵千鈞，何文華.電控LPG 發動機點火提前角標定與優化的研究［J］.農業機械學報，2004，35(3):34-36.

【4】吳靜波，郭志軍，申彥杰. 汽油發動機點火系統點火能量研究［J］.內燃機，2006(1):17-20.