基于低温环境下汽油发动机节能环保装置的研究

宋文星，姜秀芬

（潍坊市技师学院，山东 潍坊 261000）

随着中国经济的高速发展，城市化和中产阶层的崛起，对汽车的消费需求也在不断增加，目前我国汽油发动机汽车仍占据了很大的市场比例。但在冬季低温环境下，汽油车因进气温度较低，一是会导致汽车启动困难，二是为满足车辆正常行驶，会喷射更多燃料，造成可燃混合气浓度高，增加燃料费用，造成使用成本的提高和环境污染的加重。为改善这种情况，笔者研究了低温环境对发动机启动和车辆行驶性能的影响以及低温环境下发动机运行工况 ，精心研究并设计了改善汽油发动机低温工作性能的装置，用来降低燃料费用，以及减少废气排放，对实现节能减排，达到了比较理想的效果。

发动机是汽车的核心部件，而进气系统则是发动机的重要组成部分，进气系统的合理设计会影响发动机的性能，从而影响整机性能和环保性。进气系统的主要作用是为发动机提供清洁、干燥、充足的空气。改善汽车发动机进气状态，改良发动机汽油混合情况，点火情况，确保燃烧良好，可以有效提升汽油利用率，降低尾气排放污染情况。从而达到经济价值，社会效益的有效提高。

以下从三个方面阐述笔者对低温环境下汽油发动机节能环保装置的研究

1 低温环境对发动机启动及车辆行驶的影响

发动机温度过低，使混合气点火困难，燃烧缓慢，导致发动机功率下降，燃油消耗增加。由于温度太低，没有蒸发的燃油，冷凝后进入曲轴箱，不仅增加了燃油消耗，而且使机油稀释，影响了正常润滑。发动机的启动，尤其是在低温环境下能够迅速可靠的启动，是生活中用车的前提。汽油车在低温环境下行驶，进入发动机气缸的气体会因发动机温度过低，使它的点燃变得更困难或者更缓慢，这样以来，发动机的实际功率就会降低，油耗也会增大。所以汽油车辆在低温环境下工作时，需要改变影响发动机运转的因素，来提高发动机工作可靠性、降低启动磨损、减少燃油消耗。而低温影响发动机启动和运转的因素很多，下面主要分析以下几种。

1.1 低温环境下，汽油发动机的机油黏度增大

润滑系统是汽油发动机重要的组成系统，润滑的机油分布在发动机内部，可以减少对运动部件的摩擦和动力损失。从机油的流动性、黏度等特性看，随温度的降低而机油黏度增大，机油流动性降低。发动机的机油黏度增大，会增加机械部件运动时的移动阻力。机油黏度增大时，曲轴旋转阻力增大，发动机启动时转速降低，造成启动困难。低温环境会影响汽油发动机流动性，导致发动机润滑系机油流动性差，发动机运转部件的润滑效果，也会造成发动机功率下降，耗能上升。

1.2 低温环境下，汽油发动机的汽油气化不良

汽油作为汽油车的供能燃料，对发动机启动和运转性能的影响主要是因为汽油的蒸发性。相比于柴油，汽油具有易挥发，燃点低等特性，但是低温对于汽油的蒸发性影响也较大。当温度较低时，汽油的黏性和密度会增大，当温度下降30℃后，汽油的黏度提高70%左右，密度会增加10%左右，这样就使汽油的流动性变差，雾化不良。另外低温的发动机部件本身会吸收热量，影响了混合气的温度，对燃油气化不利，致使大部分燃油以液态进入汽缸，造成实际混合气过稀，发动机不易启动。因低温而没有充分气化的汽油在发动机的活塞和活塞环等摩擦面上产生油膜，导致机油无法达到最佳的润滑性能，泵送阻力增加，润滑效果变差，也会增加发动机的磨损。

1.3 低温环境下，汽油发动机火花塞不易点燃

低温环境影响车辆的蓄电池电能，造成点火线圈初级线圈能量不足从而直接影响火花塞的点火。同样，在低温环境下，进入发动机气缸内的混合气体密度大，雾化极端不良，从而要求火花塞点火时的电压提高。由于低温时发动机被连续拖动的时间较长，进入汽缸的混合气过多，使火花塞的电极被燃油濡湿，或者由于断断续续的不完全燃烧，产生碳烟，造成火花塞的污垢，使绝缘阻抗增大，因此进气温度低间接影响了火花塞的正常点火，使发动机低温启动困难。

1.4 低温环境下，汽油发动机机件磨损加剧

低温下的启动对发动机的磨损是相当严重的，约占发动机总的使用磨损量的50%-75%，也就是说，一台新的发动机用到磨损极限时，其中有1／2-3／4 的磨损不是在有效工作阶段，而是在发动机的准备工作时期。因此，冷态启动和暖机状态下的磨损是影响发动机寿命的决定因素之一。

1.5 低温环境下，汽油发动机油耗增加

当温度较低时，燃油的雾化和蒸发性很差。此时进入气缸的混合气体浓度比较低，达不到正常工作的要求，必须提供较多的燃油，这实际上就增加了耗油量。同时因为环境温度低，电控发动机信号修正也会增加汽油的消耗。发动机的进气温度影响进气密度，ECU 根据进气温度传感器提供的低温进气信号修正喷油的时间，使空燃比满足燃烧的要求，这样就会增加喷油量，倒是发动机油耗增加。在进气温度低于20°C 时，喷油量会增加，确保混合气不至于过稀，当进气温度高于20°℃时空气密度会减少，此时为了防止混合气过浓，会减少喷油量。这也就是在北方冬季行驶时，发动机油耗增加的根本原因。

2 低温环境下，发动机启动和运行工况

2.1 发动机进气温度越高，燃油混合气效能越高

当汽油温度低，进气系统和气缸中的汽油不能很好地雾化与蒸发，也不能与空气形成均匀的混合气，以致燃烧不良。当汽油温度提升后，汽油挥发性提高。汽油经过喷射系统进入气缸或者进气管后快速挥发，与空气供给系的空气混合形成可燃混合气，此时混合气温度较高，燃油混合气效能提升，经火花塞产生的火花非常容易点燃，在燃烧室内剧烈燃烧，产生强大推动力。高温的混合气中汽油含量低，降低燃料成本，充分燃烧后，可降低尾气中有害气体的排放。

2.2 发动机进气温度过高，会造成发动机充气率下降，以及其他故障

从公式中可以看出影响发动机充气率的因素有: 残余废气系数γ，压缩比ε，配气相位ζ，进气终了温度Ta，进气阻力ΔPa，进气终了压力Pa，以及负荷。

从充气率的计算公式可以看出，发动机的进气温度与气缸的充气率成反比，即进气温度越高，发动机气缸的充气率越低。所以在进气歧管结构相同，扭矩相同情况下，如果进气温度较大，会影响发动机的进气充气率。高温环境下，燃烧室内空气含量低，可能会导致混合气不易燃烧，或者混合气过浓，产生能量浪费，不充分燃烧后排放污染气体加剧。

除了造成充气率下降外，进气温度过高，还会导致发动机爆震。当活塞向上运行以压缩可燃混合物时，可燃混合物的压力和温度将在此时上升。如果可燃混合物在火花塞点火前燃烧，这是爆震现象。此时活塞向上运行，但燃烧的可燃混合气会将活塞向下推，导致发动机出现功率下降、油耗增加的现象。剧烈的爆震也会导致发动机内连杆变形，活塞爆炸。如果出现这种情况，维修成本会非常高。

2.3 保持最佳进气温度，汽油充分燃烧，可以实现节能减排

在低温环境启动时下，一般汽油车会大量喷射燃油，加大发动机混合气浓度，以及通过现在汽车用到的高能量点火系来做到低温启动。在此过程中虽然可以使车辆启动容易，但是燃油浪费，造成一定能源损耗以及经济浪费。同样汽油车启动后在行驶过程中，因为进气温度较低，虽然一定程度增加了氧含量，但是为保证车辆正常运行，喷油器依然大量喷射汽油。所以保证进气温度恒定在理想状态，发动机电脑收集进气温度传感器数据，控制喷油器喷射适量汽油，可以一定程度上减少能源损耗，实现其经济价值的提高。

在适当充气率的前提下，低温环境下用加热装置提高进气温度，保证进气温度的恒定，并保持在最佳温度。可以提高汽油蒸发率，使汽油与空气充分混合。在低温环境下，可以使汽车容易启动及行驶过程燃烧更加良好。

3 低温环境下汽车节能环保装置的研究

在冬季温度较低时，为满足发动机启动功率需求，会加大汽油的喷射。这样会造成车辆能量损耗，而且浓度较高的混合气，无法充分燃烧，会导致有害气体排到大气中，造成环境污染。低温下发动机性能被影响主要是内部混合气温度较低，不容易达到燃烧点，所以在低温下应该主要提高可燃混合气的温度，也就是提升进气温度并保持在恒定的温度。

在低温环境下汽车发动机工作时，主要在两个运行阶段被影响。第一个阶段是低温环境下汽车启动时，汽油车辆也会出现启动困难的问题，此时进气温度较低，发动机自身、冷却系、燃油供给系等为环境温度。第二阶段车辆行驶一段时间后，此时虽然冷却系统及发动机自身温度上升，但是进气温度依然为环境温度。

汽油车启动时，可设计一种低温环境下汽油发动机节能环保装置，包括进气温度传感器、ECU、电磁阀、中空进气歧管、电热丝。进气温度传感器测量进气温度，并与ECU 连接，汽车启动时，所述ECU 判断发动机的进气温度来控制环绕中控进气歧管的加热丝，加热进气歧管，让进气温度上升。

汽油车行驶时，可设计一种低温环境下汽油发动机节能环保装置，包括进气温度传感器、ECU、电磁阀、中空进气歧管、电热丝。进气温度传感器测量进气温度，并与ECU 连接，汽车正常行驶时，所述ECU 判断发动机的进气温度来控制冷却系统的电磁阀开启，电磁阀控制冷却系高温水，高温水进入中空进气歧管外层从而加热内层进气温度。

根据充气率、进气温度、汽油温度等影响发动机功率的因素，设计该电控恒温加热进气装置加热进气温度，间接加热汽油温度。可有效为低温环境下的汽油车提供着火条件以及降低启动时的阻力。可增强低温环境下车辆的汽油挥发性，提高可燃混合气的效能，降低车辆在低温环境下行驶时的喷油量。进气温度控制在最佳温度下，使混合气空燃比接近理论数值14.7，减少汽油车的燃料费用，降低车辆尾气排放中的污染物。其设计思路如下：

3.1 启动时恒温加热装置

汽车启动阶段，可设计一种低温环境下汽油发动机节能环保装置如上图（图1），包括前进气温度传感器6，该传感器收集进气温度参数，并将信号传递给ECU，如果进气温度低于最佳混合气燃烧温度，则ECU 控制环绕在中控进气歧管3 的加热丝9，加热进气歧管3，让进气温度上升，使混合气达到最佳燃烧温度，从而起到节能减排的作用。

图1 加热装置

3.2 启动后行驶过程中，利用冷却液温度加热进气空气。

汽车行驶阶段，可设计一种低温环境下汽油发动机节能环保装置如上图（图1），包括前进气温度传感器6，该传感器收集进气温度参数，并将信号传递给ECU，如果进气温度低于最佳混合气燃烧温度，则ECU 控制电磁阀2 的打开，冷却系高温水流入中空进气歧管3 外层，高温水1 加热进气歧管3 内层进气，使混合气达到最佳燃烧温度，从而起到节能减排的作用。

该电控恒温进气加热装置用于加热吸入气缸的空气或混合气，从而使其达到着火时所需的温度条件。低温环境下，车辆启动时通过缠绕在进气歧管上的加热丝来加热进气，车辆行驶时通过冷却系的冷却液加热进气，在发动机电脑的控制下保持进气温度在40-50℃。能够实现在低温环境中，发动机启动和运行时，进气温度满足汽油发动机理论值，达到易于点火，降低点火能量，适当增加汽油蒸发性，增强油汽混合效果，从而实现燃烧更充分，低温混合气稀薄，有效减少尾气排放。

基于以上理论研究及不断实践改进，笔者根据多年从事汽车发动机实训操作的经验，设计并研制了这套低温环境下汽油发动机节能环保装置，该装置已于2023.3.14 获得国家实用新型专利（专利号：ZL202223349663.3），并经实践检验效果良好，有效的改善了发动机在低温下启动出现的点火困难，燃烧缓慢，油耗增加的现象，达到了节能减排的目的。

汽车行业是一个朝阳产业，也是国民经济的重要支柱产业，对于汽车领域的任何一项革新，一项发明，一旦进入实际使用阶段，其实用性及可靠性得到验证，会给产业链带来巨大的价值，笔者认为，低温环境下汽油发动机节能环保装置用于汽车汽油发动机领域也一定会对提高汽车使用寿命、节能减排起到很好的作用。