我国北方地区,冬季气候寒冷,一般在-25℃～-5℃,最低气温可达-40℃以下。低温给汽车的运行带来了严重的危害,尤其是在汽车冷启动过程中,会出现启动困难、总成磨损严重、燃料经济性下降、机件易损坏、冷启动排气污染严重等问题。
1.启动困难
发动机在低温条件下的启动过程可分为以下四个阶段。
(1)曲轴自静止状态旋转到发动机启动所必要的启动转速。
(2)保持这一转速至发动机启动开始。
(3)润滑油自油底壳进入机油泵,并经油道到达工作表面,形成良好的润滑条件。
(4)发动机冷却水温达到正常工作温度。
前两个阶段历时较短,称为启动阶段。启动阶段的长短与发动机的启动性能有关,而发动机的启动性能与曲轴旋转阻力有关。曲轴旋转阻力主要包括:气缸内压缩可燃混合气的阻力、运动件惯性力、摩擦副的摩擦力和曲轴搅动润滑油的阻力。曲轴旋转阻力越小,发动机启动所需的最低转速越低,则发动机的启动性能越好,启动阶段需要的时间也越短。由于启动阶段润滑条件还未形成,各摩擦副之间的干摩擦现象比较严重,所以提高发动机的启动性能、缩短启动阶段所用时间,对减小零件磨损有重要意义。
后两个阶段历时较长,称为预热升温阶段。由于预热升温阶段机体温度及润滑油温度较低,故零件工作表面难以形成良好的润滑油膜,对发动机的磨损影响也很大。
使用过程中,发动机在气温低于-20℃时,启动比较困难,而当气温低于-40℃时,不经预热就完全不能启动。影响发动机低温启动性能的主要因素包括:润滑油黏度、燃料的蒸发性和蓄电池的工作能力。
发动机低温启动性能通常用能启动发动机的最低温度来表示。如图5-1所示,曲线1与曲线2的交点对应的温度即该发动机能启动的最低温度。从图中5-1可以看出,随着温度的下降,发动机能启动的最低转速上升,其主要原因是低温使润滑油黏度增加,导致摩擦阻力和搅油阻力增大所致。
图5-1 发动机的最低启动温度
1—发动机启动所需的最低转速;2—启动系统带动发动机能达到的转速
随着温度的降低,燃料的黏度和相对密度均增大,以汽油为例,温度从40℃降到-10℃,其黏度提高76%,相对密度提高6%。因此,在低温条件下,燃料蒸发性变差,混合气形成困难,也会导致发动机启动困难。
试验证明,气温在-30℃和进气流速为40m/s(相当于最大功率转速)时,汽油蒸发量为59.5%;气温为0℃和进气流速为10m/s时,汽油蒸发量为31%。在气温一定时,进气流速提高8～9倍,汽油的蒸发量仅增加3～4倍,为改善汽油机的启动性能、增加汽油的蒸发量,应提高进气温度。
柴油机在低温条件下使用时,不仅因柴油蒸发性变差而导致发动机启动困难,而且随着温度的降低,柴油中的石蜡成分析出,会使柴油的流动性逐渐丧失,影响正常供油,严重时发动机将因供油中断而不能工作。
低温条件下蓄电池工作能力下降,使起动机带动发动机转动的转速不足,火花塞的跳火能量下降,也是导致发动机启动困难的重要原因。低温条件下蓄电池工作能力下降,主要体现为端电压降低,蓄电池电压为:
U=E-IR
式中 U——蓄电池端电压,V;
E——蓄电池电动势,V;
R——蓄电池内阻,Ω;
I——蓄电池输出电流,A。
蓄电池电动势E随温度变化不大,从20℃降到-70℃时,蓄电池电动势仅从2.12V下降到2.08V。但是,随温度的降低,蓄电池的电解液黏度增大,流动性变差,向极板的渗透能力下降,内阻增加较快,所以蓄电池的电压降低。蓄电池的电压过低,启动时起动机的输出功率就会减小,带动发动机的转速下降。此外,蓄电池电压低,汽油机火花塞的点火能量减小,点燃混合气困难,这都不利于发动机的顺利启动。
2.总成磨损严重
汽车在低温条件下使用时,各总成磨损都比较大,尤其是发动机的磨损更严重。在发动机的使用周期内,50%的气缸磨损发生在启动过程中,而低温条件下的启动磨损占总启动磨损的60%～70%。气缸磨损量与气缸壁温度的关系如图5-2所示。试验表明,在-18℃的气温下,发动机启动过程中的磨损量相当于汽车正常行驶210km的磨损量。
图5-2 气缸磨损量与气缸壁温度的关系
发动机低温启动过程中磨损严重的主要原因有以下几种。
(1)在启动过程中,曲轴转速低,靠飞溅润滑的气缸壁得不到良好的润滑。
(2)冷启动时,大部分燃料以液态进入气缸,冲刷了气缸壁的油膜。
(3)汽油中含有少量的硫元素,燃烧后生成的氧化硫与因低温凝结在气缸壁上的水蒸气合成酸,引起腐蚀磨损。
(4)低温启动时,润滑油黏度大,流动性差,机油泵不能及时地将润滑油压入各工作表面,使润滑条件恶化。
(5)低温条件下,由于燃料不易蒸发,液体燃料沿气缸壁进入曲轴箱,稀释润滑油;同时,由于混合气形成不好,燃料不完全燃烧的产物窜入曲轴箱,对润滑油造成污染。这都会使润滑油的润滑性能变差,使磨损加剧。
(6)由于配合零件的材料不同,膨胀系数不同,导致低温条件下各配合间隙不能保持在正常范围,也会加速运动件的磨损。
在低温条件下使用时,除发动机外,传动系各总成 (变速器、主传动器和差速器等)的磨损也比较严重。这是因为传动系各总成的正常工作温度是靠零件摩擦和搅油产生的热量维持的,而在低温条件下使用时,传动系各总成一般不进行预热,升温速度缓慢,而且保温条件差,所以在达到正常工作温度前,因润滑油黏度大,使各传动齿轮和轴承不能得到良好的润滑,搅油阻力增加使传动负荷增大,因膨胀系数不同使配合间隙也不正常,这些因素均会造成传动系零件的磨损增大。
3.燃料经济性下降
试验表明,发动机冷却水温度从80℃下降到60℃时,油耗增加3%;温度下降到40℃时,油耗增加12%。在低温条件下,造成燃料经济性下降的主要原因有以下几种。
(1)发动机启动后的暖车时间增长,燃料消耗增加。
(2)低温使燃料蒸发性变差,混合气形成不良,燃烧不完全。
(3)低温造成各总成磨损加剧的同时,摩擦损失也会增加,传动效率下降。
4.机件易损坏
在低温条件下,材料的物理机械性能将变差。在-30℃以下时,碳钢的冲击韧性会急剧下降,铸件变脆,塑料和橡胶变硬、变脆,从而使由这些材料制成的零件容易损坏。此外,在低温条件下,发动机冷却水和蓄电池电解液易结冰,体积膨胀也容易使散热器、缸体和蓄电池损坏。
5.冷启动排气污染严重
发动机在冷启动阶段空气温度低,燃油雾化不好,HC和CO排气污染严重,在低温条件下更加突出。冷启动一般指发动机从冷态启动到暖车前这段过程。据测算,汽油机HC排放量有80%是在冷启动阶段排放产生的。现在车辆使用无铅汽油、采用闭环控制燃油喷射技术、装配三元催化转化系统等方法来降低有害物质的排放。但在冷启动阶段,闭环控制燃油喷射系统中的氧传感器不能起作用,无法提供反馈信号对燃油量进行有效控制;三元催化转化剂在温度没达到要求时也不能使HC得到有效转化。
除上述特点外,低温还会使行车条件变坏,如路面结冰、积雪等,也将影响汽车行驶的安全性和操纵稳定性;在低温条件下,电解液也容易冰冻而造成蓄电池不能正常工作。
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