柴油機(jī)高原區(qū)域啟動(dòng)困難原因及解決方法

王世勛

中國人民解放軍陸軍77251部隊(duì) 西藏自治區(qū)林芝市 860501

1 引言

海拔平均在4000米以上的西藏地區(qū)是典型的高原地帶，這里的空氣稀薄，并且有很大的晝夜溫差，路況惡劣，很多路都建在山間懸崖邊，坡陡[1]。氣候變化無常，冬季氣溫低，降雪時(shí)間長(zhǎng)，多霜凍。夏季降雨量大，路面經(jīng)常處于泥濘狀態(tài)，并易發(fā)生泥石流、山體滑坡等自然災(zāi)害[2]。其惡劣的氣候條件特點(diǎn)如下：

（1）氣候溫度低。大氣溫度隨著海拔的升高而下降，據(jù)統(tǒng)計(jì)，海拔每上升100米，氣溫下降0.6度，對(duì)海拔平均在4000米以上的西藏地區(qū)來說，其溫度一般要比內(nèi)地低20度以上。冬季時(shí)間漫長(zhǎng)。

（2）空氣稀薄，氣壓低。和溫度類似，海拔越高，空氣密度和大氣壓力越低，據(jù)統(tǒng)計(jì)，海平面空氣密度約為1.2（kg.m3），而當(dāng)海拔達(dá)到4000米時(shí)，密度則下降到了0.8（kg.m3），下降幅度達(dá)到33%，氣壓下降幅度則超過40%。

（3）地形復(fù)雜。高原地區(qū)由于人員稀少，道路交通狀況普遍比較惡劣，道路狹窄、碎石眾多，多為易發(fā)生泥石流、山體滑坡等自然災(zāi)害的凍土、山間河道、峽谷路況。

近些年來，我國在西藏等地區(qū)部署的兵力裝備越來越多，軍事活動(dòng)越加頻繁。軍用車輛一般搭載柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，在西藏地區(qū)惡劣的氣候條件下行駛很容易導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)困難、燃油經(jīng)濟(jì)性下降，并造成機(jī)件的損壞，給軍事活動(dòng)帶來很大的不變。

在此背景下，本文研究柴油機(jī)在高寒地區(qū)容易發(fā)生的一些導(dǎo)致其啟動(dòng)困難問題，并針對(duì)這些問題提出解決措施，對(duì)延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)維修周期、提高發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，防止行車事故，提高軍事活動(dòng)的效率具有重要意義。

2 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在高寒地帶可能發(fā)生的問題

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)性能變化

2．1．1 發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降

空氣密度和氣壓隨著海拔的增大而越來越低，發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量也會(huì)隨之減小，在功率下將的同時(shí)，其對(duì)燃油的消耗也明顯增加。目前，我國多使用進(jìn)口柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，例如NT855-C280康明斯增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作海拔為3600m以內(nèi)，當(dāng)在超過海拔3600米以上地區(qū)工作是，每上升300米，燃油消耗率增加2%～4%，發(fā)動(dòng)機(jī)功率下將 2% ～ 3%[3]。

2．1．2 扭矩下降

高海拔的氣候條件會(huì)導(dǎo)致柴油發(fā)動(dòng)機(jī)低速時(shí)可利用的廢氣能量減小，增壓器轉(zhuǎn)速下降，從而造成發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量不足，最終導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩小于標(biāo)定值，適應(yīng)性系數(shù)減小。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)海拔為0米時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的最大扭矩比標(biāo)定功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的值增加約15%，而當(dāng)海拔達(dá)到4500米時(shí)，該數(shù)值將減小至10%，并在標(biāo)定轉(zhuǎn)速75%處出現(xiàn)最大扭矩點(diǎn)[4]。

2．1．3 發(fā)動(dòng)機(jī)冒黑煙

在高寒地帶，由于空氣稀薄，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量明顯減小。由于過量空氣系數(shù)的下降，造成發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒不充分，未充分燃燒的的燃料將會(huì)隨著發(fā)動(dòng)廢氣排除，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)冒黑煙，并且發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度也會(huì)隨之上升。相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，海拔每升高1000米，在增壓發(fā)動(dòng)機(jī)增油量不變的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度將升高20至10度。

2．1．4 增壓器轉(zhuǎn)速增加

目前增壓發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用越來越多，在高寒地區(qū)可采用增壓技術(shù)對(duì)損失的功率進(jìn)行補(bǔ)償，但是隨之而來的問題是增壓器的轉(zhuǎn)速也將隨著海拔的升高而增大，當(dāng)海拔達(dá)到一定高度時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致增壓器超速。據(jù)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，海拔每上升1000米，增壓器轉(zhuǎn)速將會(huì)提高5%，而通常情況下增壓器的極限轉(zhuǎn)速是其額定轉(zhuǎn)速2.5倍左右[5]。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)困難常見原因

在高寒地帶，發(fā)動(dòng)機(jī)故障模式和平原地區(qū)有所不同，泄露、燒蝕、啟動(dòng)困難等嚴(yán)重的致命的故障增多，對(duì)軍事活動(dòng)造成了很大的不變。

與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)類似，一般四沖程柴油機(jī)也包括進(jìn)氣、壓縮、燃燒膨脹、排氣四個(gè)沖程。沖柴油機(jī)要正常啟動(dòng)必須具備以下條件：

（1）壓縮行程結(jié)束時(shí)，氣缸內(nèi)的空氣溫度不能低于200攝氏度，以達(dá)到柴油自燃的溫度。

（2）柴油機(jī)機(jī)體溫度不能低于20攝氏度。

（3）壓縮沖程結(jié)束時(shí)氣缸內(nèi)氣壓不能低于3Mpa。

（4）柴油機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速高于150r/min，才能保證燃油能順利霧化。

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在高寒地區(qū)無法正常啟動(dòng)主要有一下幾方面原因：

圖1 四沖程柴油發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理

2．2．1 啟動(dòng)時(shí)間太短

柴油機(jī)無法正常啟動(dòng)的一個(gè)重要原因就是蓄電池儲(chǔ)電和和放電能力的下降。蓄電池內(nèi)阻和放電能量和溫度的曲線關(guān)系如圖2所示，在環(huán)境溫度較低時(shí)，氣溫每下降一度，蓄電池緩慢放電容量下降約1.5%。當(dāng)溫度下降到零下20°時(shí)，蓄電池的容量幾乎減半[7]。所以在高原環(huán)境中，一般的蓄電池所儲(chǔ)存的能源不能提供多次、長(zhǎng)時(shí)間的點(diǎn)火啟動(dòng)，柴油機(jī)機(jī)體溫度無法達(dá)到啟動(dòng)溫度（20°）以上。

2．2．2 空氣密度、溫度低

空氣密度、溫度低是柴油機(jī)無法正常啟動(dòng)的另一重要原因。海拔超過4000米的高寒地帶常年處于低溫環(huán)境中，晝夜溫差大，早晚溫差可達(dá)到40°?？諝庀”。鄬?duì)于平原地區(qū)，高寒地帶的空氣密度和氣壓可下降約40%。氣壓下降、溫度低導(dǎo)致柴油機(jī)在進(jìn)氣行程中充氣量不足，經(jīng)過多次點(diǎn)火啟動(dòng)后，在壓縮行程結(jié)束時(shí)，氣缸內(nèi)低溫空氣很難達(dá)到燃油自然溫度。同時(shí)，較低的空氣密度易造成氣缸內(nèi)混合氣體充氣量不足，空氣壓力無法達(dá)到3Mpa以上，造成啟動(dòng)困難。

圖2 蓄電池內(nèi)阻和能力隨溫度變化示意圖

2．2．3 啟動(dòng)電機(jī)功率過小

在高寒地區(qū)，柴油機(jī)潤滑機(jī)油粘度變大，活塞、活塞環(huán)、氣缸與其他摩擦副之間的摩擦阻力增大。一般情況下，柴油原配啟動(dòng)電機(jī)功率在4Kw以下，導(dǎo)致柴油機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速達(dá)不到最低的150r/min的啟動(dòng)要求，從而無法正常啟動(dòng)。

3 解決方法

3.1 增長(zhǎng)啟動(dòng)時(shí)間

3．1．1 高性能固態(tài)酸蓄電池

在高寒地區(qū)可使用與普通蓄電池結(jié)構(gòu)不同的高性能固態(tài)酸蓄電池[8]，這種電池在低溫時(shí)不會(huì)出現(xiàn)液態(tài)酸冰凍現(xiàn)象，其充電速度、冷啟動(dòng)功率等指標(biāo)具有明顯由于普通蓄電池，在零下40度也可正常工作，解決了低溫狀態(tài)下蓄電池?zé)o法提供長(zhǎng)時(shí)間、多次啟動(dòng)的難題，尤其是柴油機(jī)機(jī)體以及進(jìn)氣管道內(nèi)的空氣充分預(yù)熱時(shí)，尤其需要這種高性能固態(tài)酸蓄電池。

3．1．2 保溫處理

在高寒地區(qū)可采用一些措施對(duì)蓄電池進(jìn)行保溫處理，保證在低溫條件下電池能有穩(wěn)定的電流輸出和能量?jī)?chǔ)備，提升了柴油機(jī)在低溫時(shí)啟動(dòng)的可能性。

3.2 增大啟動(dòng)電機(jī)功率

把柴油機(jī)原裝的4Kw小功率電機(jī)更換為6Kw以上的大功率啟動(dòng)電機(jī)，柴油機(jī)機(jī)體溫度會(huì)在柴油機(jī)啟動(dòng)反復(fù)點(diǎn)火時(shí)不斷升高，導(dǎo)致活塞、活塞環(huán)、氣缸以及其他摩擦副之間的機(jī)油溫度隨之升高，機(jī)油粘度下降，減小了啟動(dòng)阻力矩，提高了柴油機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)速，增加了正常啟動(dòng)的可能性。

3.3 增加預(yù)熱裝置

由于柴油機(jī)難以啟動(dòng)很大一部分原因是低溫導(dǎo)致的，可以在機(jī)體、進(jìn)氣管道等部位加裝電加熱預(yù)熱裝置。啟動(dòng)之前，通過該裝置對(duì)柴油機(jī)機(jī)體、進(jìn)氣道內(nèi)的空氣進(jìn)行預(yù)加熱，提升機(jī)體和進(jìn)氣道內(nèi)空氣溫度。當(dāng)壓縮行程結(jié)束時(shí)，氣缸被氣體溫度更易達(dá)到燃料自燃點(diǎn)。使用預(yù)熱裝置時(shí)預(yù)熱時(shí)間一般不要超過15s，以免損壞預(yù)熱裝置且浪費(fèi)電量。

3.4 噴射啟動(dòng)液

乙醚燃點(diǎn)比較低，3MPa條件下只有57攝氏度左右。當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，噴射一定比例的乙醚啟動(dòng)液在空氣濾芯器進(jìn)氣口處，柴油機(jī)不需要達(dá)到最低啟動(dòng)轉(zhuǎn)速就能正常點(diǎn)火啟動(dòng)，有效地改善了啟動(dòng)性能。需要注意的是，啟動(dòng)液不要直接噴在預(yù)熱裝置上且一次噴射量不得超過空氣中乙醚含量的4%。，否則易引起爆炸。

4 結(jié)語

本文針對(duì)軍用車輛柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在高寒地區(qū)啟動(dòng)困難的問題，研究了導(dǎo)致該問題的原因，并分析了解決方法，配合定期的維護(hù)可有效地提升柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在高寒地帶的可靠性，降低事故率，為我國在高原地區(qū)的軍事行動(dòng)提供有力保障。