发动机冷起动暖机过程改善措施的试验研究

刘震涛，韩 松，尹 旭，黄 瑞，孙 正，俞小莉

(浙江大学能源工程学系，动力机械及车辆工程研究所，杭州 310027)

前言

为实现节能减排的目的，从发动机起动等变工况入手研究汽车节能及环保技术已经成为一个重要的途径。发动机起动暖机过程指的是发动机点火成功后，机内冷却水和机油从较低温度上升至正常温度的过程，该过程主要包括拖动、起动、后起动和暖机4个阶段。该过程历时较长，直接影响发动机各总成的磨损和整机的排放［1－2］。在工况法试验中，1998年6月欧盟提出了欧Ⅲ、欧Ⅳ标准，和欧Ⅰ、欧Ⅱ标准相比除在排放限值上约降低40%外，还改变了排放测试循环，即取消了发动机起动后的怠速40s暖机时间，并于2002年要求初始的测试温度达到－7℃［3－4］，发动机冷起动初期产生的 THC 和 CO 排放会比常温起动增加很多［5］。研究表明起动阶段的最初300s的CO和THC的排放占整个排放测试阶段中的60% ～80%［6－7］，由此可见研究降低冷起动和暖机过程的排放显得尤为重要。此外，发动机的可靠性和使用寿命主要取决于气缸壁与曲轴颈的磨损程度。发动机起动阶段，特别是低温冷起动阶段，由于其水温和润滑油温度低，使发动机的磨损严重，影响发动机的可靠性和使用寿命［8］。

鉴于冷起动和暖机过程给发动机带来的各种危害，尤其是对排放的影响，国内外对此做了大量研究。研究工作涉及缸内燃烧组织，排气后处理等［9－11］。此外，也有以冷却水为研究对象，从智能热管理角度，通过采用加热器和储热器等调节冷却水的热状态，通过可调水泵等调节冷却水的流动状态等方法改善起动排放［12－14］。

本文中着重于发动机冷却系统起动过程的热状态研究，通过采用电加热器加热冷却水的方法，研究外加热源对发动机起动暖机过程的影响，探索缩短暖机时间，减小发动机起动危害，改善发动机起动性能的有效途径。

1 试验台架搭建

1.1 试验用发动机

采用国产某型汽油发动机进行试验，发动机的参数如表1所示。

表1 试验用发动机参数

1.2 试验设备

在发动机台架上进行试验研究，所用的测试系统和传感器如表2所示。

表2 台架试验主要仪器和传感器

1.3 电加热器设计

试验研究过程中采用电加热方式给发动机冷却水提供热源，为此设计一个管道容积式加热器和相应的功率控制器。考虑到散热、阻力和发动机可靠性等因素，将该加热器设计成闭式加热器，并可承受一定压力。加热器由法兰式不锈钢电加热管，加热壳体和加热功率控制装置等组成，该加热器的最大加热功率为18kW。经过控制装置调控后可在0～18kW间进行调节。

1.4 系统布置

试验系统总体布置示意图如图1所示，试验研究中的主要测量参数如表3所示。

表3 台架试验主要测量参数

2 试验方案

根据调整不同的加热方式、加热功率、预热时间和热机温度等设计试验方案，测试加热器对发动机冷起动暖机过程的影响。

试验方案分为原机、同步加热、预热、热机4个基础方案，以及预热联合同步加热、热机联合同步加热两个组合方案，试验前冷却水温和机油温度约为10℃。

3 试验结果分析

3.1 同步加热试验结果分析

加热器加热方式是通过在原有的冷却水小循环管路中串联容积式加热器进行加热，具备加热兼蓄热功能。但由于设备增加，相应增大了热容，故结果和原有发动机有一定差异。同步加热是指起动发动机的同时打开加热器开关，利用加热器对发动机循环冷却水进行同步加热。根据功率大小分为0、2、4、6、8和10kW 6个试验方案，功率为0时不加热。

试验表明同步加热条件下发动机冷却水、机油、排气温升和转速在起动和暖机过程中的变化趋势与原机条件下基本一致。以10kW同步加热方案为例，图2为发动机冷却水和机油的温升曲线，图3为发动机排气温升和转速曲线。

图4为不同功率同步加热条件下水温温升时间。由图4可知，加热器各功率同步加热条件下水温温升均快于原机未安装加热器条件。缸盖水温升至85℃，0kW功率所需时间为1 001s，4kW功率仅需523s，约为0kW条件的一半，效果较为明显。

图5为不同功率同步加热条件下主油道和油底壳的温升时间。可见，加热器的安装使用对油温的温升有促进作用，并随加热器功率增大，效果更明显，但其影响要小于加热器对水温温升的影响。

图6为不同功率同步加热条件下排气总管口处排气温升曲线图。分析可知，加热器的使用对排温在最初阶段的温升建立影响不大。随着功率的增大对温升建立有略微影响，温升最高区域温度有所降低，这可能是由于发动机的排气温升和转速、负荷有直接联系，而加热器功率的增大使水温温升迅速，从而改变发动机在较高转速停留的时间，使排气最高区域温度略低。

3.2 预热和热机试验结果分析

预热方案是指在发动机起动之前让加热器先工作一段时间，起动发动机的同时停止加热。发动机起动后，水泵带动冷却水循环，发动机及加热器内的冷却水进行混合，发动机冷却水初始温度提高。预热功率采用10kW，根据加热时间不同分为100、150、200和250s 4个方案，对应的热量分别是1 000、1 500、2 000和2 500kJ。本方案意义在于研究提高发动机冷却水初始温度对发动机起动暖机的影响。该方案可以通过预热和蓄热等方式等效达到。

热机起动方案是指在发动机停机后，让其自然冷却，当温度降至一定温度时进行起动试验。根据热机起动温度的设定分4个试验方案，分别为40、50、54和63℃起动。本方案意义在于可模拟在发动机开机之前采用电子水泵联合加热器预先对发动机冷却水进行加热，冷却水的热量同时传递给机体，可达到同时预热机体和冷却液的目的。

图7为预热和热机方案水温温升时间。由图7可见，热机和预热同样可以将冷却水提高至相同温度，但是起动后的温升现象差别较大，主要表现为同样的发动机冷却水水温下热机的温升时间要远小于预热的温升时间。这主要是由于热机的机体温度与水温相同，而预热条件下机体温度和环境温度相同。

图8和图9分别为不同预热时间和不同热机温度条件下排气温升曲线图。可看出随预热时间的延长或热机温度的升高，发动机排气温升变得缓慢。前400s内，随着预热时间的延长或热机温度越高，排温高区域温度值有所下降，这主要是由于预热后发动机混合水温较高，发动机转速降低造成的。

3.3 联合试验结果分析

预热和同步加热联合方案是指在发动机起动前，加热器通电采用10kW功率加热一定时间，并在起动发动机后采用2kW功率保持同步加热。

根据预热时间不同分为10kW预热100s联合2kW同步加热、10kW预热200s联合2kW同步加热两个试验方案。

热机和同步加热联合方案是指在发动机停机后，让其自然冷却，当降至一定温度时起动发动机，并同时打开加热器，采用2kW功率对冷却水进行同步加热。本组试验根据热机起动温度的设定由3个方案组成，分别是45℃热机联合2kW同步加热、50℃热机联合2kW同步加热、55℃热机联合2kW同步加热。

图10为联合试验条件下发动机缸盖和缸体温升时间图。对比图7可发现，热机和同步加热联合条件下的水温温升时间进一步缩短，相比无同步加热的50℃热机条件，缸盖水温温升至85℃时间从542s降至338s，降幅达204s，降低为原来的62.4%。55℃热机联合2kW同步加热条件和无同步加热的54℃热机条件相比，水温温升从原先486s降至316s，降幅达170s，降低为原来的65.0%，效果较为明显。对比还发现同步联合加热条件下的水温温升时间有进一步明显的改善，相比无同步加热的10kW*200s预热条件，缸盖水温温升从原先的709s降至440s，降幅达269s，降低为原来的62.1%，效果较为明显。

图11为预热和同步加热联合条件下排气温升曲线图，对比图8可以发现排气温升趋势较为一致，2kW的同步联合加热使发动机排气温升有所降低，最初温升速率略有下降。图12为不同热机同步加热条件下排气温升曲线图，联合了2kW同步加热的试验条件对于初期的急剧温升没有明显改变，使发动机温度高区域有所降低。

另外，辅助加热的实施可缩短暖机时间，减少摩擦磨损，同时降低暖机过程的燃油消耗。试验表明:原机怠速起动暖机过程消耗燃油240.3g;而同步加热4kW方案的起动暖机过程折算总耗油量为183.5g，节油率达23.6%。

4 结论

(1)安装容积式管路加热器，可以达到加热兼蓄热功能，但增加了热循环中的热容，对同步加热方案产生一定的负面影响。

(2)同步加热方案对发动机起动暖机过程中目标水温和油温建立的时间有较大缩短，加热功率越大改善效果越明显。与原机相比，低加热功率的同步加热基础方案改善作用不大。

(3)预热方案中，预热时间越长越能缩短发动机起动暖机过程目标水温和油温的建立时间，相同情况下热机方案随热机温度的提高缩短时间效果趋于明显。可以认为若用电子水泵联合预热方式可同样达到缩短暖机时间的目的。

(4)预热基础方案和热机基础方案联合同步加热基础方案后的组合方案，进一步扩大了基础方案对发动机起动性能的改善效果。与低功率同步加热联合的组合方案效果接近于大功率同步加热基础方案，但能耗大大降低。

(5)预热和热机方案下发动机起动初始冷却水温较高，发动机转速偏低，这有利于降低起动阶段的发动机污染物排放。

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