汽油機節氣門結冰機理的試驗研究

崔清章顧德富張　玉（-上汽集團商用車技術中心　上海　00438　-上海汽車集團股份有限公司技術中心）

汽油機節氣門結冰機理的試驗研究

崔清章1顧德富1張玉2
（1-上汽集團商用車技術中心上海2004382-上海汽車集團股份有限公司技術中心）

摘要：借助于環境艙，模擬冬季嚴寒地區運行條件，進行了某車型的冬季車輛汽油發動機節氣門結冰機理的試驗研究。研究結果表明：冬季車輛運行期間，來自油氣分離器的水蒸氣在進氣歧管內遇冷凝結成霜凍，聚集在部分負荷呼吸管進口周圍并散布在附近歧管內壁面；停車后，來自缸內的高溫輻射和熱傳導短期內快速推升進氣歧管內溫度致霜凍化水滴動，最終匯聚在下置式節氣門體閥板后部區域，低溫下持續一段時間后在節氣門閥板周邊結冰。導致發動機啟動和運行時，節氣門閥板因遇阻不能隨發動機運行指令動作，達不到目標位置，形成發動機轉速波動，嚴重時將導致車輛進入節氣門斷電跛行狀態。

關鍵詞：汽油機節氣門結冰機理試驗研究

引言

冬季嚴寒地區汽油發動機節氣門結冰是一個常見現象[1-2]，但其結冰機理尚不清楚。多數工程技術人員認為，對節氣門體進行加熱保溫是避免節氣門閥板因結冰不能隨發動機運行指令動作導致車輛運行故障的有效方法[2]。因此，國內外工程技術人員進行了各種節氣門體加熱保溫的工程方案研究，如在節氣門體上布置加熱水道、在節氣門體上布置加熱阻抗等，利用熱能或電能進行加熱保溫，以保證節氣門閥板依發動機運行指令自如隨動。

但以上工程方案都需對發動機整體布置作較大的結構與配置變動，除帶來不可避免的成本增加外，也因為加熱所需的熱能或電能支持，對車輛運行的可靠性帶來苛刻的要求。

本項目是要通過試驗研究探索汽油機節氣門結冰的機理，為進一步研究有針對性的采用物理結構改進的方案從源頭上遏止冬季嚴寒地區汽油發動機節氣門結冰這一常見現象提供技術支持[3-4]。

1　試驗裝置及試驗方法

1.1試驗裝置

1.1.1某車型的節氣門布置

某車型汽油發動機的節氣門布置如圖1所示：發動機在整車上為前縱置布置，節氣門下置，即節氣門體位于發動機左側進氣歧管的底部。油氣分離器的部分負荷呼吸管在進氣歧管的上部、節氣門的正上方。整個節氣門前端面對前格柵，迎面風可直接吹到節氣門體。

圖1 節氣門布置

1.1.2設備儀器

環境艙：整個試驗被布置在低溫轉轂環境艙中進行，如圖2所示。環境條件為溫度-40℃~60℃間可調，濕度30%，通過試驗室的控制臺可較容易地控制環境艙內的溫度達到試驗所需的環境溫度。整車前面另布置有鼓風機，可使整車本體、水溫、油溫快速降低。

轉轂試驗臺：整車轉轂試驗臺型號為AIPCDM-48L-4WD，電慣量加載。通過控制臺可模擬整車試驗工況，對整車施加載荷。環境艙布局如圖2所示[3]。

圖2　低溫轉轂測功環境艙

內窺鏡：內窺鏡型號：ilplex，如圖3所示。用于整車停車后，節氣門閥板周邊、歧管內壁、部分負荷呼吸管附近的結冰狀況觀察。

溫度測量裝置：K型熱電偶，型號TT-K-24-SLE，量程為；-267°~260°。

溫度讀取裝置：型號ETAS650，如圖4所示。

圖3　ilp lex型內窺鏡

圖4　ETAS650溫度讀取裝置

1.2試驗方法

為了進一步研究整車運行過程中節氣門閥板、進氣歧管內結冰形成的過程、機理，在環境艙內安排了整車試驗，以記錄模擬冬季低溫行車過程中進氣歧管內、節氣門體溫度的變化，冰層形成、累積的過程。

1.2.1試驗工況

試驗在冷庫的轉鼓試驗臺上進行，冷庫中的環境溫度設定為-30℃。試驗開始前，整車冷凍時間大于16 h，以使整車的本體溫度、發動機水溫、機油溫度與環境溫度相同。

為確保油氣分離器的廢氣經部分負荷呼吸管進入進氣歧管內，更易捕捉到節氣門的結冰過程，整車試驗工況以低速低負荷為主：

工況1：整車以小于30 km/h的速度行駛15 km；

工況2：整車以怠速運行+40 km/h勻速交替行駛20 km。

整車以運行工況1+工況2為一個工作循環。

1.2.2溫度測點布置

圖5溫度測點布置

如圖5所示，測點1的熱電偶通過碳罐電磁閥管路的入口布置在進氣歧管內部；測點2的熱電偶布置在節氣門體外側。試驗過程中通過ETAS650讀取測點溫度。

1.2.3結冰狀況采集

整車試驗循環運行結束停車后，拔除部分負荷呼吸管。將內窺鏡的探頭通過部分負荷呼吸管接口處伸到進氣歧管內部，對進氣歧管內壁面、節氣門閥板處的結冰情況進行觀察、拍照。

2　試驗結果與分析

當整車在極低的環境溫度運行時，含有水蒸氣的高溫油氣通過部分負荷呼吸管進入進氣歧管內部。高溫油氣與由節氣門進入的冷空氣進行交匯，水蒸氣冷凝形成較松散的霜凍附著在歧管內壁、節氣門閥板上。停車后，這部分霜凍在經歷一個融化再重新凝結的過程后，重新凝結的冰層基本集中在節氣門閥板附近，且冰層相較于初期松散的霜凍更趨于凝實。

2.1停車初期

圖6是整車停車后5min內拍攝的部分負荷呼吸管入口處、進氣歧管支管入口、節氣門閥板處的照片。

圖6　停車初期霜凍狀況

整車運行過程中，冷凝形成的松散霜凍會分散在部分負荷呼吸管入口、進氣歧管的支管入口、節氣門閥板處。部分負荷呼吸管入口有結冰附著，造成入口截面積減??；支管入口處的霜凍層以接近部分負荷呼吸管入口的第二、第三缸處較厚，尤以部分負荷呼吸管入口附近的霜凍為多。

2.2停車后期

圖7是整車停車后50min時，拍攝的進氣歧管支管入口處、節氣門閥板處的照片。

圖7　停車后期結冰狀況

部分負荷呼吸管入口處的冰層部分融化，進氣歧管支管入口的霜凍呈現融化流淌狀態，由于節氣門的位置在進氣歧管的最低位置，因此霜凍融化后流向節氣門，流動過程中有部分凝結在節氣門安裝接合面處及節氣門閥板上。

3　結冰過程與分析

圖8描述的是環境溫度為-30℃的情況下，停車后，歧管內的溫度、節氣門體的溫度隨時間的變化曲線。

從圖中可以看出：

圖8　歧管內、節氣門體溫升變化曲線

1）整車停車后，由于氣缸高溫輻射及缸內殘余高溫氣體通過打開的氣門經氣道竄流到進氣歧管內，導致歧管內的溫度短時間內快速上升，經檢測到的數據顯示，3min之內就可上升到0℃以上；且在以上熱輻射和熱傳導因素的作用下，歧管內的溫度在0℃以上的時間可保持約80min。

2）節氣門體由于遠離發動機本體和低溫環境的雙層作用，溫度上升緩慢，且整個試驗過程中的溫度始終維持在0℃以下。

因此，在整車停車期間，初期歧管內的溫度快速上升，導致部分霜凍快速融化滴動，后期歧管內的溫度逐漸下降，霜凍融化的速度下降，并在流動的過程中重新凝結。在此過程中，由于節氣門體溫度一直保持在0℃以下，且節氣門體處于整個流路的較低位置，使融水更易匯聚凝結在關閉狀態下的節氣門閥板處。

4　結論

1）整車在低溫的環境下行駛時，來自部分負荷呼吸管的水汽在與低溫進氣交匯后會凝結在進氣歧管內壁、節氣門閥板附近。其中支管入口處的霜凍層以接近部分負荷呼吸管入口的第二、第三缸處較厚，尤以部分負荷呼吸管入口處的霜凍為多。

2）整車停止行駛后，進氣歧管內的溫度會經歷一個先期急劇上升，后緩慢下降的過程，節氣門體的溫度則一直維持在0℃以下。這種現象極易引起霜凍在進氣歧管內部融化、流動并重新凍結。

3）當節氣門布置在進氣歧管的最低位置時，每次停車后霜凍融化的冰水都會流向節氣門，極易造成冰層在節氣門閥板處的累積。嚴重時，會阻礙節氣門的動作，導致整車故障。

4）從物理結構上遏制冬季嚴寒地區汽油發動機節氣門結冰的主要因素為：負荷呼吸管和節氣門體在進氣歧管上的布置要合理；避免發動機進氣系統在整車機艙內迎風布置；節氣門避免布置在進氣歧管的最低位置以避免霜凍化水在節氣門閥板周邊匯聚等。

參考文獻

1陳鵬，陳領平，何小明.進氣歧管壓力傳感器結冰診斷邏輯設計與改進[J].公路與汽運，2012（1）：32-36

2羅雄儒.活塞式發動機結冰研究[J].航空維修與工程，2007（6）：36-37

3張育春，丘國生.增壓發動機高寒試驗故障分析與改進[J].內燃機與配件，2015（2）：47-50

4李建國，趙永生，吳冬冬.寒冷天氣下車用發動機曲軸箱通風系統故障分析[J].內燃機與配件，2014（8）：41-43

5伏振華.BOSCH電子節氣門系統的安全性[J].汽車電器，2008（4）：18-20

6徐波，張歡，由世俊.數值模擬優化汽車尾氣檢測環境倉設計[J].節能，2007（6）：16-19

中圖分類號：TK413.8

文獻標識碼：A

文章編號：2095-8234（2015）05-0063-04

收稿日期：（2015-06-30）

作者簡介：崔清章（1978-），男，工程師，主要研究方向為內燃機開發與應用。

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