「科普文」关于冷启动的一切

天气渐渐转凉了，对于拥车一族来说，又到了纠结要不要热车的话题了。

当新手司机问老司机要不要热车时，老司机们往往鬼魅一笑：你居然不热车？新司机们望着老司机的销魂笑容，似懂非懂的点了点头。。

day after day…year after year…

当新司机变为老司机，又有新司机问老司机，要不要热车时，老司机又鬼魅一笑：你居然不热车？

于是就开启了热车的传说。。。

其实。。long long long ago…（2000年以前），汽车采用的是化油器发动机，确实是需要热车的。。那个时候没有先进的燃油喷射系统，依靠进气的负压让汽油挥发带进燃烧室内，在低温下挥发不好，勉强行驶时会出现转速不稳，熄火等不正常现象，有一定危险性。所以必须等发动机暖机以后才可以行驶。这也就是热车一说的起源。

但是，已经9102年了，市面上几乎没有化油器发动机的车了（化油器车无法过排放法规），电喷、直喷甚至双喷射都大量应用了，行车电脑控制，各种补正逻辑，材料技术，机械工艺，机油技术都飞速发展的今天，还在说要热车，就像一个10年前穿越过来的人问怎么用手机发彩信一样。。。

作为动力总成的工程师，今天就来做一个比较全面的讲解。

内容如下：

1冷启动的工作原理与案例介绍

2 友问题回复

冷启动摩擦副干摩擦？

发动机高转速真的是热车吗？

需不需要热车？

冷启动困难，车难开？

冒黑烟，有汽油味？

三高环境下的可靠性保证？

冷启动”哒哒哒”响？

机油增多？

啥时候需要热车？

冷启动弹射起步，会不会坏？

1冷启动的工作原理与案例介绍

1.1汽油的汽化

首先，我们要明白一个观点，液态的汽油经过喷油器进入燃烧室，汽化后和空气混合，形成均匀的可燃气体，经过火花塞点火燃烧，释放能量。这里一个重点问题就是汽油是一定要由液态变为气态。然而汽油是由多种主要成分是C4 ~C12烃类,为混合烃类物品，各种烃类的沸点不一样，因此不同温度下能够汽化的比例是不同的。我们引入了馏程这个概念，它指的是一定温度范围内该汽油种中可能蒸馏出来的油品种类和温度的标示，汽油馏程包括初馏点、10％、50％、90％馏出温度以及终馏点，不同馏出温度代表不同意义：10％馏出温度代表汽油中轻质成分的多少，一定范围内10％馏出温度越低则汽车冷启动性能好；50％馏出温度代表汽油平均蒸发性，越低则汽油雾化速度越快，变负荷下发动机加速性能越好；90％馏出温度以及终馏点代表汽油重质成分的多少，越低则汽油燃烧越完全，反之则容易燃烧冒黑烟，油耗增大。

然而，现实中汽油的种类是很多，因为原油产地的不同（中国、北美、俄罗斯、中东、南美），加工工艺的不同（中石油、中石化、中海油、外资、民间），油品是多种多样的。虽然他们在发动机完全暖机后（90℃）燃料性状差别不大，但是在低温阶段差别很大，如图1所示。我们往往质疑中国油品不好，其实有部分原因是受制于炼油工艺，中国汽油相对比较重质，虽然在正常工作时雾化性没有问题，但是在低温下能够汽化的比例低。

图1 各种汽油产品馏程示意图（绝对值不一定准确）

发动机的正常燃烧一定要保证空燃比A/F（Air/Fuel）接近理论空燃比14.7左右，才能顺利的燃烧，为了在低温下能够保证可靠点火燃烧，就必须多喷油。

1.2冷启动的过程

冷启动的过程用最简单的话说，就是转动钥匙，蓄电池带动起动机转动，再拖动发动机转动，吸气，喷油，点火，起动，待转速上升至目标转速后，保持转速稳定。

具体来说，发动机的启动过程大致包括三个阶段，分别为启动阶段、启动后阶段、暖机阶段。

图2 车辆冷启动后车辆运行策略

从驾驶员转动点火钥匙开始，ECU便等待着第一个转速信号，当听到喀喀喀的声音时，就是起动机拖动发动机旋转的声音，当发动机转速超过设定的最小允许点火转速后（50rpm~100rpm），则启动条件B—st置位，此时ECU便判定发动机状态为启动状态，后续的喷油和点火都是以此为基础的，当发动机的转速超过设定的启动后的某转速（400rpm~600rpm）时，则发动机切换为启动后状态，点火时刻和喷油会发生变化；当发动机转速超过目标转速后，根据厂家策略，判断是否需要进入暖机模式，依据不同模式进行不同的控制，再经过十几秒到几十秒（不同厂家不同），切换至正常怠速模式。

1.3 冷启动的难题

对于冷启动，大家往往都很不满意，觉得噪音震动大，舒适性不好，怀疑厂家为啥不能做好冷启动，这里，我把冷启动各个阶段的目标与难题进行介绍，大家看后应该就明白了。

1.3.1 启动阶段

目标：缩短成功点火时间，初次点火顺利进行，转速能够迅速上升。

难题与对策：在极低温下比如东北-35℃下，汽油的雾化性极差，可能只有1%，这时，启动时必须喷正常燃烧所需要的100倍汽油才能够获得可以燃烧的混合气。如图3所示，-35℃的喷油量有可能达到300mg/st，远高于正常启动的喷油量。这时一次就点火成功几乎不可能，以往进气管喷射发动机需要持续喷油点火10s甚至更久，采用缸内直喷发动机有很大的改善，但也需要持续一段时间，如图4所示，低温启动时间明显较长，一般来说-35℃在15s内启动成功都是正常现象。另外，冷启动喷油极多，部分不参与燃烧的汽油会顺着活塞环间隙流入到油底壳，导致机油增多现象（思域躺枪）。

图3 冷启动喷油量示意图

图4 启动转速上升情况

有 友说，那我再多喷一点汽油不就可以提高低温下启动速度了吗？其实不然，因为在低温下汽油的雾化偏差很大，发动机并不知道你加的是啥汽油，如果是轻质汽油，喷油太多的化可能因为混合气过浓而无法启动，这里存在一个平衡。

工程师可以通过各种喷射策略来缓解，比如双喷射系统，比如提高喷油器的油压，比如优化进气道流速等等，但是无法从根本上解决，所以，根据国家法规要求，汽车保证-35℃的启动性能。，再低温就不能保证了。

1.3.2启动后阶段

目标：转速平稳上升至目标转速。

难题与对策：从图4可以看出，一般启动时大概执行4回喷射（每个气缸一回），然后会进入到启动后阶段，在这个阶段主要保证的是转速平稳上升至目标转速，由于此时转速较低，泵气损失较大，每个气缸做工后下一个冲程时存在转速跌落的现象，对此，一般通过改变进排气门开闭时刻来缓解该问题。但是，传统液压控制的VVT需要一定的时间才能工作，启动时是无法有效工作的，现在中高级车采用了电子VVT，可以保证转速平稳上升。

另外，此时的转速是PID控制，根据现在转速和目标转速的差值以及转速接近目标转速的速度来协调点火，根据不同燃料性状，每个气缸燃烧释放的能量是不同的，无法很顺利的让转速达到目标转速，一般会超过目标转速再收束至目标转速。

1.3.3暖机阶段

目标：转速稳定感官能接受，产生大量废热供催化器加热，噪音较低。

难题与对策：这块是大家能够明显感知到的区域了，很多人在这个阶段完成后才开车。首先，看下图5，如果没有暖机阶段，发动机在启动后阶段完成后会直接进入怠速阶段，就是图中黄色虚线的工况，此时，转速会维持在目标转速（案例车为1200rpm），点火和节气门进行实时反馈让转速维持在目标转速。从图中看出，如果这样发动机一直在小工况下运行，催化器的温度上升缓慢，达不到净化效果。因此，为了满足国家法规排放，引入了暖机策略，依靠转速上升，点火大幅度迟角，VVT、加浓系数等都会调整，让发动机尽可能产生废热给催化器加热，在一定时间后，转速下降，回到怠速目标转速。这种工况对发动机并不友好，彻彻底底是应对排放法规的对策，点火迟角导致燃烧滞后，废热主要被排气系统吸收，如图5中红线，催化器温度上升明显加快。但是，对发动机机体、冷却液、机油的加热效果并不显著。

图5 暖机阶段示意图

由于此工况下优先保证催化器加热，因此点火角的补正被限制，依靠空气量来对调整转速，因为空气流动具有迟滞性，所以存在转速波动的情况，一般此处只要求转速波动在可接受范围内就好。另外转速较高，空气量较大，发动机噪音也很明显，只能通过隔音棉等手段降低噪音。

此工况是牺牲了油耗来保证排放，在平时驾驶时能不用就不用。。。平时驾驶时你即使真的因为天气太冷受不了想热车，也可以挂P挡启动后切N挡，避开此工况。

另外，目前法规中常温下的排放最严苛，在低温下还是有余量，因此，部分厂家诸如大众在10℃以下就没有暖机阶段，直接进入怠速阶段，节约了油耗。有 友反馈大众车10℃以上启动后转速1200rpm而10℃以下反而启动后转速就800rpm了。

这块难题很多，比如说不同汽油下的可靠性，比如说振动平顺性，比如说暖机过程中的排放控制，比如说你启动前把空调、大灯等都打开后，还是否能保证平顺性等等。

1.3.4怠速阶段

目标：转速波动在人无法察觉范围内，NVH好。

难题与对策：最完美的怠速就是你感觉不到发动机在运行，这个实施起来并不容易。受制于成本，对发动机的减震隔音往往不如人意，只能尽可能提高发动机本体的稳定性。一般来说，实际转速永远在目标转速上下波动，通过扭矩控制策略，对点火与空气量进行时刻修正，让转速稳定在目标转速上。为了省油，我们希望转速尽可能低，比如600rpm甚至更低，但是当发生意外情况时，一旦转速低于400rpm时容易失火，从可靠性出发又希望转速越高越好，这里存在一个平衡，需要进行协调。丰田往往优先保证可靠性，目标转速定的较高，大众对自身电控有信心，怠速转速很低。

图6 怠速时转速波动

对冷启动的介绍就这么多，实际过程很复杂，这里就是让广大 友们有个概念。

下面针对 友的一些担心点，进行解释。

2 友问题回复：

冷启动摩擦副干摩擦？

有 友提出，说必须进行热车的理由是冷启动摩擦副会有干摩擦。在刚刚启动的那个瞬间，确实气缸内部活塞环和壁面存在干摩擦，但这个是不可避免的，无论你热不热车，该摩擦还是会摩擦。其他的运动副比如VVT等，由于现代机油是有粘度的，甚至比我们日常用的胶水还要粘，几天不开并不会让运动副上的机油脱离。因此不存在彻底的干摩擦这个说法。

发动机高转速真的是热车吗？

这个在前文已经提到，发动机转速高是暖机阶段，不过不是给冷却水、机油暖机，还是为了对应排放法规给催化器加热。我个人经过多次实际试验，并不能明显加快水温上升。大家想想，水箱中的水有多少L？机油有多少L？只靠发动机这种低负荷低转速工况给水箱机油加热，要加热多久才能提高水温油温？

需不需要热车？

关于要不要热车，我收集了，大众系、宝马系、奔驰系、丰田系、马自达系、国产系、甚至五菱系的说明书，采用发动机说明书上的原话回答：从对车辆损坏的角度出发的话，真的不需要热车。。。

冷启动困难，车难开？

这个是客观存在的，因为在冷启动的时候，汽油雾化性不好，部分传感器还需要电预热，无法有效执行反馈补正。且此时机油粘度大，摩擦阻力大，按照平时的油门程度发动机输出功率不足容易导致加速乏力、失火等现象。对于手动挡来说，离合器结合时确实因为扭矩不足变得困难，容易顿挫。对于自动挡来说，变速箱换挡策略可能执行的不够到位，出现升挡后顿挫。驾驶过程中会变得不习惯。

冒黑烟，有汽油味？

在部分缸内直喷汽油车上，如果环境温度过低，部分无法雾化参与燃烧的汽油在高压的气缸内形成PM/PN，从而排出，当量多了，就是传说的黑烟了。而没有燃烧的汽油排出来挥发后就有汽油味了。

三高环境下的可靠性保证？

一般厂家会做一轮到两轮的三高试验，保证环境温度-35℃到60℃的可靠性，并且要在高原进行验证。对于发动机来说，最严苛的工况是在海拔4000m高环境温度-35℃。尤其对于小排量涡轮增压发动机，很危险。因为此时机油粘度高，大气压太低，进气量少，启动时涡轮还没有工作，发动机的输出扭矩可能不足以克服摩擦阻力。。。有可能永远打不着。。。所以小排量涡轮发动机去高原地区要慎重。

冷启动”哒哒哒”响？

有的车冷启动的时候会有”哒哒哒”的声音，其实这个是气门间隙的金属敲击声。发动机工作时，气门将因温度的升高而膨胀。如果气门及其传动件之间在冷态下无间隙或间隙过小，则在热态下，气门及其传动件的受热膨胀势必引起气门关闭不严，造成发动机在压缩行程和做功行程中漏气，从而使功率下降，严重时甚至不易启动。为了消除这种现象，通常在发动机冷态装配时，在气门及其传动机构中留有一定的间隙，以补偿气门受热后的膨胀量。这一间隙称为气门间隙。有的发动机带有液压挺杆，凸轮和气门永远接触，就解决了这个问题。

机油增多？

在低温环境下，不可避免的要进行多喷油，汽油沿着活塞环间隙流入油底壳，导致机油液面升高。这个现象每台车几乎都有。现代发动机有PVC通风系统，随着机油温度的升高，汽油会挥发出来，沿着PVC通风再进入进气系统中，参与燃烧。在冬天在东北地区，如果每天开车1、2公里，开个几周很容易发生机油增多的现象。为了避免该问题，每一周可以让发动机水温上升至完全暖机状态（90℃），就解决了这个问题。

当然，如果像思域那样大批量出现该问题的化，确实是有必要进行改善的，属于品质问题。

啥时候需要热车？

其实，从机械层面是不需要热车的，但是从舒适性角度出发，如果天气实在太冷了，车内温度太低，为了让空调加热充分发挥作用而怠速热车的话，也无可厚非。

冷启动弹射起步，会不会坏？

其实这个是被人怼的一个问题。首先，冷启动弹射起步的话，加速能力肯定是很差的。其次，如果是自动挡车型的话，变速箱一般会有冷保护逻辑，不会让你强来的，所以你即使全油门了也不一定真给你很快的加速（例如日产的CVT冷保护）。但是对于手动挡来说，冷启动就全负荷的话确实会影响发动机的寿命，如果真的有车有习惯一启动就全油门加速的话，那确实有必要热车。。。

以上，大家如果还有啥想了解的，可以在评论中提出。