探究电喷汽油机冷起动控制过程影响因素

探究电喷汽油机冷起动控制过程影响因素

刘新辉

(湛江德利车辆部件有限公司524094)

摘要：汽油机冷起动时要求起动顺利，并且污染小，油耗低，转速稳定。这对发动机电子控制提出了更高的要求，针对影响电喷发动机冷起动性能的因素进行分析，影响因素包括进气量、喷油时刻与时间、混合气的形成、点火正时、配气相位等，各个因素之间又都有相互联系，在进行性能优化时必须充分考虑其他因素的影响，要通过深入的研究和试验，对汽油机冷起动时控制参数进行合理匹配，实现电喷发动机在低污染、低油耗下保证低温冷起动成功。

关键词：汽油机冷起动HC排放

引用：发动机起动是否顺利是发动机重要性能指标之一。起动过程的控制一方面要顺利起动，另一方面要控制排放污染物。发动机正常起动的三个要素为：强且正时准确的高压火花；合适的空燃比；足够的气缸压力，这三方面均应符合要求，缺一不可。发动机电控系统的主要功能是协调发动机的各个子系统，稳定发动机转速，同时实现对排放、油耗、功率的要求。影响冷起动性能的因素有以下几个方面。

一、点火提前角的影响

在发动机做功过程中，最高燃烧压力出现在上止点后12°-15°时，做功能力最强，发动机输出功率最大，从点火到最高燃烧压力点，得有一定的过程，这就需要点火时刻在压缩行程上止点之前某个时刻，即以曲轴转角表示的点火提前角。点火提前角的大小对发动机性能的影响很大，点火提前角过小，则燃烧延长至膨胀过程，燃烧最高压力和温度下降，传热损失增多，排气温度升高，热效率降低，功率降低；点火提前角过大，容易导致爆震，并且活塞还未到达上止点，气缸内可燃混合气的燃烧压力已很大，与活塞的运动方向相反，作用在活塞顶部，产生较大的负功，使有效功率降低。起动过程中点火提前角的选取极为关键，点火提前角过大过小都会导致动力不足，不足以克服发动机阻力矩，使得发动机难以起动。有实验数据表明，以JL474QB发动机为例，初始点火提前角为7°和-3°时，在起动过程中转速都出现跌至50r/min以下的情况，最多上冲到500r/min左右，发动机难以起动成功；初始点火提前角为3°时，能顺利起动发动机[1]。因此，对于某一特定型号的发动机，确定起动时的最佳点火提前角，以后随发动机各种参数的变化而变化。影响最佳点火提前角的因素较多，如转速、负荷、大气压力、温度、燃料辛烷值、空燃比、残余废气系数、废气再循环等。

二、混合气浓度的影响

混合气浓度不当，发动机不但难以起动，还造成排放污染物增多。混合气浓度过稀，缸内燃烧会很不完全，容易熄火，只有部分燃料参与燃烧，因而产生大量的HC排放；混合气过浓，缺少助燃的空气，也会使得缸内燃烧不完全，燃烧速度降低，导致HC排放明显增加，同时CO增多。特别是首循环燃烧对于发动机冷起动整体排放相当重要，如果首循环失火将产生大量的HC，并影响后续燃烧的稳定性。首循环燃烧的缸压较高，燃烧稳定，HC的排放就低，而首循环混合气浓度过浓或者过低时，瞬态HC排放会急剧增加。所以，发动机起动首循环的控制必须首先确保混合气浓度，其次，防止缸内产生失火[2]。

发动机首循环喷入的燃料，有大部分残留在进气道内，由于发动机温度较低，最初几个循环中汽油液体不能充分蒸发，有一部分液体流进气缸内，凝结在气缸壁上，湿壁现象严重；其次，冷起动时缸壁温度较低，水蒸气易发生凝结，火花塞吸附液态燃料或水的可能较大，失火发生的概率增加；再者，液体燃料只有部分蒸发，实际进入气缸的燃料不多，火焰传播时容易熄火。燃油沉积在气道壁面上，而进气道绝对压力随发动机转速的变化相应剧烈变化，但转速的变化不可能与喷油量、燃料蒸发速度的变化恰到好处，难免会出现混合气过浓或者过稀，这些都造成发动机起动困难和HC排放增多。为了保证冷起动可靠，最初几个循环要提供非常浓的混合气，但浓的混合气导致HC排放大大增多，所以冷起动工况，在保证可靠点火的前提下，必须控制最初几个循环的混合气浓度，来降低HC的排放。影响混合气浓度的因素有起动时的进气量、喷油时间和时刻等。

三、温度的影响

大气温度、冷却液温度低，燃油的雾化质量较差，需提供较大的循环供油量，使得混合气加浓，冷却液温度越低，混合气越浓；另外，缸壁的激冷效应会造成火焰淬熄现象，部分混合气未燃或者不完全燃烧，导致HC和CO的排放量较大。随着冷却液温度和燃烧室壁面温度的逐渐升高，激冷层厚度不断减少，循环供油量也在逐渐减少，混合气浓度不断降低。电控发动机控制根据起动时冷却液温度确定基本循环供油量，与进气量合理匹配，形成合适的混合气浓度，顺利起动发动机。由于供油量较大，为了避免火花塞“淹死”，有的发动机控制系统要求电磁喷油器在发动机每一转中分多次进行喷射。如宝马735i发动机在冷起动时，与冷却液温度有关的喷油量以曲轴喷3次/圈的方式喷入，共喷5圈。在喷完5圈后，喷油量变小至一个与转速有关的喷油量。另外，合适的喷射时刻，会降低燃油湿壁现象的影响。

四、燃料蒸发特性和雾化效果的影响

改善燃油的挥发性对降低冷起动过程HC排放有利，据报道，有研究者设计了部分氧化系统，将液体燃料转化为气态燃料，还有进气道空气辅助喷射，如此在冷起动阶段就可少提供一些燃油，降低HC排放。改善燃料的雾化效果，减少燃油粒径，尽量减少燃油在进气道和燃烧室壁面的沉积，也有利于降低HC排放。国内外许多研究者作了积极的探索，如使用涡旋型喷油器，并在喷油器内部安装加热装置。燃料蒸发和雾化变好，有利于形成合适的混合气浓度，即便于起动，又降低HC的排放。

五、配气相位的影响

配气相位直接影响进入气缸的混合气质量及混合气形成和燃烧特性。在起动阶段，转速低，进入气缸的空气流速慢，因此对混合气的扰流强度小，恶化了燃油混合的均匀性及蒸发和雾化质量，在起动过程气门重叠角期间，进气管和缸内真空度很高有可能会使废气倒流，前一个循环残余废气对工质进行稀释，混合气的质量变差，影响火焰前锋的发展，导致下一个循环燃烧恶化，不利于冷起动过程燃烧的稳定性。不佳的气门重叠角还会使未燃的混合气由排气门短路逃逸，造成HC排放量剧增，起动困难。因此，确定起动时的配气相位至关重要。

通过分析研究，发动机冷起动时需要控制的内容包括进气量、喷油时刻与时间、混合气的形成、点火正时、配气相位等。各个因素之间都有相互联系，在进行性能优化时都必须考虑其他因素的影响，要通过深入研究和试验，对汽油机冷起动时控制参数进行合理匹配，使发动机起动顺利，并且污染小，油耗低，转速稳定，则对发动机电子控制提出了更高的要求，很好地规划一个全方位的控制策略，确定发动机冷起动时的控制方法，最终实现冷起动时各参数的精确控制，在低污染、低油耗下保证低温冷起动成功。

结束语：

总之，我们清楚地认识到影响发动机起动的决定因素有压力、点火、供油、温度、最低起动转速。除此之外，为使发动机顺利起动，还必须具备其基本前提：即发动机装配要符合有关技术要求，如各轴瓦的配合间隙、气门间隙、配气相位以及各运动副之间的润滑状况。否则，过大的曲轴扭矩将使起动机带不动。不正确的配气相位（气门开闭）也影响其正常起动。

参考文献:

[1]何强，等.电喷汽油机冷起动性能研究2017

[2]张平，等.冷起动首循环瞬态HC排放特性试验研究2016

[3]栗光.汽油机冷起动HC排放的机理与控制策略2016

[4]毛华厚，等.四冲程汽油机HC排放的产生及控制2017

[5]宾科，赵福堂，冯国胜.汽油机冷起动过程中HC排放问题初探2017