宋文星，姜秀芬

（濰坊市技師學(xué)院，山東 濰坊 261000）

隨著中國經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市化和中產(chǎn)階層的崛起，對汽車的消費需求也在不斷增加，目前我國汽油發(fā)動機汽車仍占據(jù)了很大的市場比例。但在冬季低溫環(huán)境下，汽油車因進氣溫度較低，一是會導(dǎo)致汽車啟動困難，二是為滿足車輛正常行駛，會噴射更多燃料，造成可燃混合氣濃度高，增加燃料費用，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)境對發(fā)動機啟動和車輛行駛性能的影響以及低溫環(huán)境下發(fā)動機運行工況 ，精心研究并設(shè)計了改善汽油發(fā)動機低溫工作性能的裝置，用來降低燃料費用，以及減少廢氣排放，對實現(xiàn)節(jié)能減排，達到了比較理想的效果。

發(fā)動機是汽車的核心部件，而進氣系統(tǒng)則是發(fā)動機的重要組成部分，進氣系統(tǒng)的合理設(shè)計會影響發(fā)動機的性能，從而影響整機性能和環(huán)保性。進氣系統(tǒng)的主要作用是為發(fā)動機提供清潔、干燥、充足的空氣。改善汽車發(fā)動機進氣狀態(tài)，改良發(fā)動機汽油混合情況，點火情況，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。從而達到經(jīng)濟價值，社會效益的有效提高。

以下從三個方面闡述筆者對低溫環(huán)境下汽油發(fā)動機節(jié)能環(huán)保裝置的研究

1 低溫環(huán)境對發(fā)動機啟動及車輛行駛的影響

發(fā)動機溫度過低，使混合氣點火困難，燃燒緩慢，導(dǎo)致發(fā)動機功率下降，燃油消耗增加。由于溫度太低，沒有蒸發(fā)的燃油，冷凝后進入曲軸箱，不僅增加了燃油消耗，而且使機油稀釋，影響了正常潤滑。發(fā)動機的啟動，尤其是在低溫環(huán)境下能夠迅速可靠的啟動，是生活中用車的前提。汽油車在低溫環(huán)境下行駛，進入發(fā)動機氣缸的氣體會因發(fā)動機溫度過低，使它的點燃變得更困難或者更緩慢，這樣以來，發(fā)動機的實際功率就會降低，油耗也會增大。所以汽油車輛在低溫環(huán)境下工作時，需要改變影響發(fā)動機運轉(zhuǎn)的因素，來提高發(fā)動機工作可靠性、降低啟動磨損、減少燃油消耗。而低溫影響發(fā)動機啟動和運轉(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)動機的機油黏度增大

潤滑系統(tǒng)是汽油發(fā)動機重要的組成系統(tǒng)，潤滑的機油分布在發(fā)動機內(nèi)部，可以減少對運動部件的摩擦和動力損失。從機油的流動性、黏度等特性看，隨溫度的降低而機油黏度增大，機油流動性降低。發(fā)動機的機油黏度增大，會增加機械部件運動時的移動阻力。機油黏度增大時，曲軸旋轉(zhuǎn)阻力增大，發(fā)動機啟動時轉(zhuǎn)速降低，造成啟動困難。低溫環(huán)境會影響汽油發(fā)動機流動性，導(dǎo)致發(fā)動機潤滑系機油流動性差，發(fā)動機運轉(zhuǎn)部件的潤滑效果，也會造成發(fā)動機功率下降，耗能上升。

1.2 低溫環(huán)境下，汽油發(fā)動機的汽油氣化不良

汽油作為汽油車的供能燃料，對發(fā)動機啟動和運轉(zhuǎn)性能的影響主要是因為汽油的蒸發(fā)性。相比于柴油，汽油具有易揮發(fā)，燃點低等特性，但是低溫對于汽油的蒸發(fā)性影響也較大。當(dāng)溫度較低時，汽油的黏性和密度會增大，當(dāng)溫度下降30℃后，汽油的黏度提高70%左右，密度會增加10%左右，這樣就使汽油的流動性變差，霧化不良。另外低溫的發(fā)動機部件本身會吸收熱量，影響了混合氣的溫度，對燃油氣化不利，致使大部分燃油以液態(tài)進入汽缸，造成實際混合氣過稀，發(fā)動機不易啟動。因低溫而沒有充分氣化的汽油在發(fā)動機的活塞和活塞環(huán)等摩擦面上產(chǎn)生油膜，導(dǎo)致機油無法達到最佳的潤滑性能，泵送阻力增加，潤滑效果變差，也會增加發(fā)動機的磨損。

1.3 低溫環(huán)境下，汽油發(fā)動機火花塞不易點燃

低溫環(huán)境影響車輛的蓄電池電能，造成點火線圈初級線圈能量不足從而直接影響火花塞的點火。同樣，在低溫環(huán)境下，進入發(fā)動機氣缸內(nèi)的混合氣體密度大，霧化極端不良，從而要求火花塞點火時的電壓提高。由于低溫時發(fā)動機被連續(xù)拖動的時間較長，進入汽缸的混合氣過多，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，因此進氣溫度低間接影響了火花塞的正常點火，使發(fā)動機低溫啟動困難。

1.4 低溫環(huán)境下，汽油發(fā)動機機件磨損加劇

低溫下的啟動對發(fā)動機的磨損是相當(dāng)嚴(yán)重的，約占發(fā)動機總的使用磨損量的50%-75%，也就是說，一臺新的發(fā)動機用到磨損極限時，其中有1／2-3／4 的磨損不是在有效工作階段，而是在發(fā)動機的準(zhǔn)備工作時期。因此，冷態(tài)啟動和暖機狀態(tài)下的磨損是影響發(fā)動機壽命的決定因素之一。

1.5 低溫環(huán)境下，汽油發(fā)動機油耗增加

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

2 低溫環(huán)境下，發(fā)動機啟動和運行工況

2.1 發(fā)動機進氣溫度越高，燃油混合氣效能越高

當(dāng)汽油溫度低，進氣系統(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)過噴射系統(tǒng)進入氣缸或者進氣管后快速揮發(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燃，在燃燒室內(nèi)劇烈燃燒，產(chǎn)生強大推動力。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)動機進氣溫度過高，會造成發(fā)動機充氣率下降，以及其他故障

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

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

除了造成充氣率下降外，進氣溫度過高，還會導(dǎo)致發(fā)動機爆震。當(dāng)活塞向上運行以壓縮可燃混合物時，可燃混合物的壓力和溫度將在此時上升。如果可燃混合物在火花塞點火前燃燒，這是爆震現(xiàn)象。此時活塞向上運行，但燃燒的可燃混合氣會將活塞向下推，導(dǎo)致發(fā)動機出現(xiàn)功率下降、油耗增加的現(xiàn)象。劇烈的爆震也會導(dǎo)致發(fā)動機內(nèi)連桿變形，活塞爆炸。如果出現(xiàn)這種情況，維修成本會非常高。

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

在低溫環(huán)境啟動時下，一般汽油車會大量噴射燃油，加大發(fā)動機混合氣濃度，以及通過現(xiàn)在汽車用到的高能量點火系來做到低溫啟動。在此過程中雖然可以使車輛啟動容易，但是燃油浪費，造成一定能源損耗以及經(jīng)濟浪費。同樣汽油車啟動后在行駛過程中，因為進氣溫度較低，雖然一定程度增加了氧含量，但是為保證車輛正常運行，噴油器依然大量噴射汽油。所以保證進氣溫度恒定在理想狀態(tài)，發(fā)動機電腦收集進氣溫度傳感器數(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，實現(xiàn)其經(jīng)濟價值的提高。

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氣溫度，保證進氣溫度的恒定，并保持在最佳溫度?？梢蕴岣咂驼舭l(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及行駛過程燃燒更加良好。

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，為滿足發(fā)動機啟動功率需求，會加大汽油的噴射。這樣會造成車輛能量損耗，而且濃度較高的混合氣，無法充分燃燒，會導(dǎo)致有害氣體排到大氣中，造成環(huán)境污染。低溫下發(fā)動機性能被影響主要是內(nèi)部混合氣溫度較低，不容易達到燃燒點，所以在低溫下應(yīng)該主要提高可燃混合氣的溫度，也就是提升進氣溫度并保持在恒定的溫度。

在低溫環(huán)境下汽車發(fā)動機工作時，主要在兩個運行階段被影響。第一個階段是低溫環(huán)境下汽車啟動時，汽油車輛也會出現(xiàn)啟動困難的問題，此時進氣溫度較低，發(fā)動機自身、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間后，此時雖然冷卻系統(tǒng)及發(fā)動機自身溫度上升，但是進氣溫度依然為環(huán)境溫度。

汽油車啟動時，可設(shè)計一種低溫環(huán)境下汽油發(fā)動機節(jié)能環(huán)保裝置，包括進氣溫度傳感器、ECU、電磁閥、中空進氣歧管、電熱絲。進氣溫度傳感器測量進氣溫度，并與ECU 連接，汽車啟動時，所述ECU 判斷發(fā)動機的進氣溫度來控制環(huán)繞中控進氣歧管的加熱絲，加熱進氣歧管，讓進氣溫度上升。

汽油車行駛時，可設(shè)計一種低溫環(huán)境下汽油發(fā)動機節(jié)能環(huán)保裝置，包括進氣溫度傳感器、ECU、電磁閥、中空進氣歧管、電熱絲。進氣溫度傳感器測量進氣溫度，并與ECU 連接，汽車正常行駛時，所述ECU 判斷發(fā)動機的進氣溫度來控制冷卻系統(tǒng)的電磁閥開啟，電磁閥控制冷卻系高溫水，高溫水進入中空進氣歧管外層從而加熱內(nèi)層進氣溫度。

根據(jù)充氣率、進氣溫度、汽油溫度等影響發(fā)動機功率的因素，設(shè)計該電控恒溫加熱進氣裝置加熱進氣溫度，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時的阻力?？稍鰪姷蜏丨h(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)境下行駛時的噴油量。進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用，降低車輛尾氣排放中的污染物。其設(shè)計思路如下：

3.1 啟動時恒溫加熱裝置

汽車啟動階段，可設(shè)計一種低溫環(huán)境下汽油發(fā)動機節(jié)能環(huán)保裝置如上圖（圖1），包括前進氣溫度傳感器6，該傳感器收集進氣溫度參數(shù)，并將信號傳遞給ECU，如果進氣溫度低于最佳混合氣燃燒溫度，則ECU 控制環(huán)繞在中控進氣歧管3 的加熱絲9，加熱進氣歧管3，讓進氣溫度上升，使混合氣達到最佳燃燒溫度，從而起到節(jié)能減排的作用。

圖1 加熱裝置

3.2 啟動后行駛過程中，利用冷卻液溫度加熱進氣空氣。

汽車行駛階段，可設(shè)計一種低溫環(huán)境下汽油發(fā)動機節(jié)能環(huán)保裝置如上圖（圖1），包括前進氣溫度傳感器6，該傳感器收集進氣溫度參數(shù)，并將信號傳遞給ECU，如果進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氣歧管3 外層，高溫水1 加熱進氣歧管3 內(nèi)層進氣，使混合氣達到最佳燃燒溫度，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，從而使其達到著火時所需的溫度條件。低溫環(huán)境下，車輛啟動時通過纏繞在進氣歧管上的加熱絲來加熱進氣，車輛行駛時通過冷卻系的冷卻液加熱進氣，在發(fā)動機電腦的控制下保持進氣溫度在40-50℃。能夠?qū)崿F(xiàn)在低溫環(huán)境中，發(fā)動機啟動和運行時，進氣溫度滿足汽油發(fā)動機理論值，達到易于點火，降低點火能量，適當(dāng)增加汽油蒸發(fā)性，增強油汽混合效果，從而實現(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踐改進，筆者根據(jù)多年從事汽車發(fā)動機實訓(xùn)操作的經(jīng)驗，設(shè)計并研制了這套低溫環(huán)境下汽油發(fā)動機節(jié)能環(huán)保裝置，該裝置已于2023.3.14 獲得國家實用新型專利（專利號：ZL202223349663.3），并經(jīng)實踐檢驗效果良好，有效的改善了發(fā)動機在低溫下啟動出現(xiàn)的點火困難，燃燒緩慢，油耗增加的現(xiàn)象，達到了節(jié)能減排的目的。

汽車行業(yè)是一個朝陽產(chǎn)業(yè)，也是國民經(jīng)濟的重要支柱產(chǎn)業(yè)，對于汽車領(lǐng)域的任何一項革新，一項發(fā)明，一旦進入實際使用階段，其實用性及可靠性得到驗證，會給產(chǎn)業(yè)鏈帶來巨大的價值，筆者認(rèn)為，低溫環(huán)境下汽油發(fā)動機節(jié)能環(huán)保裝置用于汽車汽油發(fā)動機領(lǐng)域也一定會對提高汽車使用壽命、節(jié)能減排起到很好的作用。