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汽車冷開機後的「怠速升高」有三個原因

 

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汽車在冬季冷開機的時候會出現怠速轉速的明顯提升,耗油量會隨之而明顯增長,是什麼原因造成怠速增長,又能否強行修改參數來降低轉速呢?

原因有三點:

冷卻損耗快速加溫三元催化器特殊的無級變速器

沒有更多的原因了。

燃油汽車總在討論熱效率,高水準的發動機可以達到40%左右,差一些則只有35%上下;可是最高的熱效率其實只能在很窄的轉速區間內實現,行駛中的轉速會有較大程度的波動,所以真實的平均熱效率會很低。然而什麼是熱效率?參考下圖。

熱效率簡而言之就是轉化為機械能(動力)的熱能比例,內燃機依靠的是燃燒產生的熱能轉化動力,熱力學第二定律說明了熱能會從高溫物體傳導至低溫物體;也就是說熱能不可能都轉化為動力,很多因素都會吸收熱能,比如低溫機體的冷卻損耗、防凍冷卻液的吸收損耗等,那麼在冬季出現怠速升高也就不難理解了。

冬季的氣溫可以低至零下二三十度,夏季的氣溫可以達到零上40℃;同一杯水放在室外,冬季降溫的速度當然比夏季快,因為低溫的空氣快速且大量地吸收了水的熱能。

發動機也是同理的,低溫空氣過量吸收熱能會導致熱效率下降,可以理解為造成動力變差或功率降低;內燃機是有運行阻力的,怠速轉速對應的功率正好能克服運行阻力,並且帶動泵系(發電機/水泵等機器)運轉。溫度過低的時候動力被低溫「吸走」一部分,剩餘的功率不能滿足穩定怠速,所以只能以提高轉速的方式提高功率(功率=轉速×扭矩÷常數)。

冷開機升高怠速還有其他的考量,比如加速發動機裡的防凍冷卻液升溫,讓發動機達到理想的運行溫度,也就是最佳熱效率的溫度;用略高的轉速在更短的時間內完成加溫,比低轉速緩慢地加溫的綜合耗油量更低。不過核心因素還是要控制尾氣排放,只是提升轉速等于提高燃油消耗量,這不是增加排放嗎?

三元催化器的啟動溫度在200℃以上。

汽車尾氣的主要成分為CO/HC/NOx,對應的是一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化物,這三種物質對于空氣的質量會有相當程度的影響;所以才需要對尾氣成分進行淨化,用于淨化的就是三元催化器。

催化器中有鉑、銠、鈀三種貴金屬,與三種物質反應可以讓大部分尾氣變成二氧化碳、氧氣、氮氣和水;這樣就能大幅降低汽車尾氣對控制質量的破壞程度了,可是催化器裡的化學反應需要高溫,冷開機時的尾氣溫度雖然很高,但尾氣的流速也很快,加熱催化器濾芯的效率不是很高。所以需要以提高怠速的方式快速加熱濾芯,實現啟動後的短時間內即可實現對尾氣的有效淨化,這是怠速轉速會升高的核心因素。

有些車輛在水溫仍舊偏低的時候轉速也會下降,這就是催化器達到了理想溫度後的調整。

無級變速器-CVT是怠速轉速升高和不得不原地熱車的另一個因素,好在用這種變速器的車輛占比並不是很高。

這種自動變速器的換擋結構比較特殊,不依靠齒輪結構換擋,是以鋼帶和錐輪的組合方式摩擦傳動;傳動的過程中有相當程度的磨損,想要控制磨損延長使用壽命就得進行高標準潤滑,但是低溫時的變速箱油流動性能很差,不能實現足夠標準的潤滑。

所以變速箱油就得在發動機啟動前或啟動後進行加溫,達到高溫後才能允許正常換擋與駕駛。

啟動前的加溫只能依靠電加熱,功率很高、很容易造成電瓶虧電,尤其是主要用CVT的日系汽車,其使用的啟動電瓶容量普遍非常小,熄火後用車輛配置十幾分鐘都有可能會虧電,就別提使用電加熱了;而且高頻率的電加熱會讓電瓶的使用壽命大幅縮減,這種鉛酸電瓶完整充放電350~400次就會報復,一個冬季如果每天都用車幾次,換電瓶會比換機油的頻率還高。

「水暖」成為CVT的最終選項,CVT的變速箱油加熱只能在啟動後進行,然而仍舊沒有採用電加熱;選擇的是依靠發動機的防凍冷卻液來加熱變速箱油,可是冷開機時的防凍冷卻液的溫度也和氣溫相同。所以只能等待冷卻液升溫之後才能有效加熱變速箱油,等待的時間必然會很長,而且效率也必然會很低;因為怠速轉速偏低、有限,加熱冷卻液(燒水)的速度當然會慢。

那麼想要提高效率就得提升怠速轉速,不過在溫度過低的時候還是會很慢,在北方的一些區域車輛如果不對進氣格柵進行改造,水溫是始終都無法提升的。這就是會造成冬季怠速轉速提高的原因,能理解吧。

 

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