汽油机节气门结冰机理的试验研究

崔清章顾德富张　玉（-上汽集团商用车技术中心　上海　00438　-上海汽车集团股份有限公司技术中心）

汽油机节气门结冰机理的试验研究

崔清章1顾德富1张玉2
（1-上汽集团商用车技术中心上海2004382-上海汽车集团股份有限公司技术中心）

摘要：借助于环境舱，模拟冬季严寒地区运行条件，进行了某车型的冬季车辆汽油发动机节气门结冰机理的试验研究。研究结果表明：冬季车辆运行期间，来自油气分离器的水蒸气在进气歧管内遇冷凝结成霜冻，聚集在部分负荷呼吸管进口周围并散布在附近歧管内壁面；停车后，来自缸内的高温辐射和热传导短期内快速推升进气歧管内温度致霜冻化水滴动，最终汇聚在下置式节气门体阀板后部区域，低温下持续一段时间后在节气门阀板周边结冰。导致发动机启动和运行时，节气门阀板因遇阻不能随发动机运行指令动作，达不到目标位置，形成发动机转速波动，严重时将导致车辆进入节气门断电跛行状态。

关键词：汽油机节气门结冰机理试验研究

引言

冬季严寒地区汽油发动机节气门结冰是一个常见现象[1-2]，但其结冰机理尚不清楚。多数工程技术人员认为，对节气门体进行加热保温是避免节气门阀板因结冰不能随发动机运行指令动作导致车辆运行故障的有效方法[2]。因此，国内外工程技术人员进行了各种节气门体加热保温的工程方案研究，如在节气门体上布置加热水道、在节气门体上布置加热阻抗等，利用热能或电能进行加热保温，以保证节气门阀板依发动机运行指令自如随动。

但以上工程方案都需对发动机整体布置作较大的结构与配置变动，除带来不可避免的成本增加外，也因为加热所需的热能或电能支持，对车辆运行的可靠性带来苛刻的要求。

本项目是要通过试验研究探索汽油机节气门结冰的机理，为进一步研究有针对性的采用物理结构改进的方案从源头上遏止冬季严寒地区汽油发动机节气门结冰这一常见现象提供技术支持[3-4]。

1　试验装置及试验方法

1.1试验装置

1.1.1某车型的节气门布置

某车型汽油发动机的节气门布置如图1所示：发动机在整车上为前纵置布置，节气门下置，即节气门体位于发动机左侧进气歧管的底部。油气分离器的部分负荷呼吸管在进气歧管的上部、节气门的正上方。整个节气门前端面对前格栅，迎面风可直接吹到节气门体。

图1 节气门布置

1.1.2设备仪器

环境舱：整个试验被布置在低温转毂环境舱中进行，如图2所示。环境条件为温度-40℃~60℃间可调，湿度30%，通过试验室的控制台可较容易地控制环境舱内的温度达到试验所需的环境温度。整车前面另布置有鼓风机，可使整车本体、水温、油温快速降低。

转毂试验台：整车转毂试验台型号为AIPCDM-48L-4WD，电惯量加载。通过控制台可模拟整车试验工况，对整车施加载荷。环境舱布局如图2所示[3]。

图2　低温转毂测功环境舱

内窥镜：内窥镜型号：ilplex，如图3所示。用于整车停车后，节气门阀板周边、歧管内壁、部分负荷呼吸管附近的结冰状况观察。

温度测量装置：K型热电偶，型号TT-K-24-SLE，量程为；-267°~260°。

温度读取装置：型号ETAS650，如图4所示。

图3　ilp lex型内窥镜

图4　ETAS650温度读取装置

1.2试验方法

为了进一步研究整车运行过程中节气门阀板、进气歧管内结冰形成的过程、机理，在环境舱内安排了整车试验，以记录模拟冬季低温行车过程中进气歧管内、节气门体温度的变化，冰层形成、累积的过程。

1.2.1试验工况

试验在冷库的转鼓试验台上进行，冷库中的环境温度设定为-30℃。试验开始前，整车冷冻时间大于16 h，以使整车的本体温度、发动机水温、机油温度与环境温度相同。

为确保油气分离器的废气经部分负荷呼吸管进入进气歧管内，更易捕捉到节气门的结冰过程，整车试验工况以低速低负荷为主：

工况1：整车以小于30 km/h的速度行驶15 km；

工况2：整车以怠速运行+40 km/h匀速交替行驶20 km。

整车以运行工况1+工况2为一个工作循环。

1.2.2温度测点布置

图5温度测点布置

如图5所示，测点1的热电偶通过碳罐电磁阀管路的入口布置在进气歧管内部；测点2的热电偶布置在节气门体外侧。试验过程中通过ETAS650读取测点温度。

1.2.3结冰状况采集

整车试验循环运行结束停车后，拔除部分负荷呼吸管。将内窥镜的探头通过部分负荷呼吸管接口处伸到进气歧管内部，对进气歧管内壁面、节气门阀板处的结冰情况进行观察、拍照。

2　试验结果与分析

当整车在极低的环境温度运行时，含有水蒸气的高温油气通过部分负荷呼吸管进入进气歧管内部。高温油气与由节气门进入的冷空气进行交汇，水蒸气冷凝形成较松散的霜冻附着在歧管内壁、节气门阀板上。停车后，这部分霜冻在经历一个融化再重新凝结的过程后，重新凝结的冰层基本集中在节气门阀板附近，且冰层相较于初期松散的霜冻更趋于凝实。

2.1停车初期

图6是整车停车后5min内拍摄的部分负荷呼吸管入口处、进气歧管支管入口、节气门阀板处的照片。

图6　停车初期霜冻状况

整车运行过程中，冷凝形成的松散霜冻会分散在部分负荷呼吸管入口、进气歧管的支管入口、节气门阀板处。部分负荷呼吸管入口有结冰附着，造成入口截面积减小；支管入口处的霜冻层以接近部分负荷呼吸管入口的第二、第三缸处较厚，尤以部分负荷呼吸管入口附近的霜冻为多。

2.2停车后期

图7是整车停车后50min时，拍摄的进气歧管支管入口处、节气门阀板处的照片。

图7　停车后期结冰状况

部分负荷呼吸管入口处的冰层部分融化，进气歧管支管入口的霜冻呈现融化流淌状态，由于节气门的位置在进气歧管的最低位置，因此霜冻融化后流向节气门，流动过程中有部分凝结在节气门安装接合面处及节气门阀板上。

3　结冰过程与分析

图8描述的是环境温度为-30℃的情况下，停车后，歧管内的温度、节气门体的温度随时间的变化曲线。

从图中可以看出：

图8　歧管内、节气门体温升变化曲线

1）整车停车后，由于气缸高温辐射及缸内残余高温气体通过打开的气门经气道窜流到进气歧管内，导致歧管内的温度短时间内快速上升，经检测到的数据显示，3min之内就可上升到0℃以上；且在以上热辐射和热传导因素的作用下，歧管内的温度在0℃以上的时间可保持约80min。

2）节气门体由于远离发动机本体和低温环境的双层作用，温度上升缓慢，且整个试验过程中的温度始终维持在0℃以下。

因此，在整车停车期间，初期歧管内的温度快速上升，导致部分霜冻快速融化滴动，后期歧管内的温度逐渐下降，霜冻融化的速度下降，并在流动的过程中重新凝结。在此过程中，由于节气门体温度一直保持在0℃以下，且节气门体处于整个流路的较低位置，使融水更易汇聚凝结在关闭状态下的节气门阀板处。

4　结论

1）整车在低温的环境下行驶时，来自部分负荷呼吸管的水汽在与低温进气交汇后会凝结在进气歧管内壁、节气门阀板附近。其中支管入口处的霜冻层以接近部分负荷呼吸管入口的第二、第三缸处较厚，尤以部分负荷呼吸管入口处的霜冻为多。

2）整车停止行驶后，进气歧管内的温度会经历一个先期急剧上升，后缓慢下降的过程，节气门体的温度则一直维持在0℃以下。这种现象极易引起霜冻在进气歧管内部融化、流动并重新冻结。

3）当节气门布置在进气歧管的最低位置时，每次停车后霜冻融化的冰水都会流向节气门，极易造成冰层在节气门阀板处的累积。严重时，会阻碍节气门的动作，导致整车故障。

4）从物理结构上遏制冬季严寒地区汽油发动机节气门结冰的主要因素为：负荷呼吸管和节气门体在进气歧管上的布置要合理；避免发动机进气系统在整车机舱内迎风布置；节气门避免布置在进气歧管的最低位置以避免霜冻化水在节气门阀板周边汇聚等。

参考文献

1陈鹏，陈领平，何小明.进气歧管压力传感器结冰诊断逻辑设计与改进[J].公路与汽运，2012（1）：32-36

2罗雄儒.活塞式发动机结冰研究[J].航空维修与工程，2007（6）：36-37

3张育春，丘国生.增压发动机高寒试验故障分析与改进[J].内燃机与配件，2015（2）：47-50

4李建国，赵永生，吴冬冬.寒冷天气下车用发动机曲轴箱通风系统故障分析[J].内燃机与配件，2014（8）：41-43

5伏振华.BOSCH电子节气门系统的安全性[J].汽车电器，2008（4）：18-20

6徐波，张欢，由世俊.数值模拟优化汽车尾气检测环境仓设计[J].节能，2007（6）：16-19

中图分类号：TK413.8

文献标识码：A

文章编号：2095-8234（2015）05-0063-04

收稿日期：（2015-06-30）

作者简介：崔清章（1978-），男，工程师，主要研究方向为内燃机开发与应用。

A Study on Icing Processon Gasoline Engine Throttle

CuiQingzhang1,Gu Defu1,Zhang Yu2
1-SAICMotor Commercial Vehicle Technical Center(Shanghai,200438,China)
2-SAICMotor TechnicalCenter

Abstract：Based on environmental chamber,we have studied the icing mechanism on gasoline engine throttle of a certain car model in cold areas in winter.The result indicates thatwater vapor from oil-gas separator is condensed into frost for the cold air in the intakemanifold,then gathers around the imports of part load breathing pipes and scatters on the internal face of nearby intakemanifold;when parking,the temperature in the intake manifold rises rapidly for the radiation and heat-exchange of the hightemperaturegas in the cylinder,and subsequently the frostmelts intowater,flowing to down-setting throttle back at last.However,the water is frozen into the ice by the throttle-valve again at a low temperature for some time.The throttle-valve cannot reach the targetposition following theengine's instructions becauseof the block of ice by the throttle-valve when the engine starts up or works,which results in engine-speed fluctuation and even theenginewill limp home in severe situations.

Keywords：Gasoline engine,Throttle,Icingmechanism,Experimental study