提高重型柴油車發(fā)動機低溫啟動性能的研究

李歡

摘 要 柴油機作為功能最強大的熱力發(fā)動機，其運用在我國重型汽車領(lǐng)域以及軍事設(shè)備領(lǐng)域中發(fā)揮著不容忽視的作用，而柴油發(fā)動機低溫啟動性能是發(fā)動機的重要性能之一，其在低溫情況下影響著發(fā)動機是否能夠正常啟動。本文結(jié)合目前市面上的多種重型柴油車，對其發(fā)動機低溫啟動性能進行研究，通過分析影響柴油發(fā)動機在低溫的情況下，發(fā)動機啟動存在的問題，提出有利提高重型柴油車發(fā)動機低溫啟動性能的方案措施，對相關(guān)工作進行奠定理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 重型柴油機;低溫起動;發(fā)動機啟動

前言

在低溫環(huán)境下的柴油機啟動過程中，由于潤滑劑粘度的增加，進入摩擦部件表面的潤滑劑量減少，油壓緩慢建立。考慮到低速拖動階段冷啟動的成功率和油壓上升的緩慢率，由于上述綜合原因，不可避免地會發(fā)生更多的半干摩擦或摩擦或是局部干摩擦現(xiàn)象。許多文獻認為，在啟動過程中和啟動后的預(yù)熱過程中，由摩擦引起的磨損率占發(fā)動機總磨損率的46-73%。 另外，不良的冷啟動性能會增加電池和啟動器的負擔，并增加故障率。因此，優(yōu)化發(fā)動機的冷啟動性能也是維持發(fā)動機和附件正常運行的需要。

1 研究背景

目前，柴油機作為發(fā)動機設(shè)備的情況十分普遍，在國家經(jīng)濟水平逐漸提升，運輸實現(xiàn)高速化的情況下，效率高的柴油機技術(shù)運用十分廣泛。在國外，5t以上的載貨機車全部實現(xiàn)柴油機化，同時一些小型車也在朝著柴油化的方向迅速發(fā)展。在這種趨勢下，我國也沒有停止步伐，正大力朝著這方面進行技術(shù)性改革，以東風、解放、重汽等為主的重型柴油車企業(yè)，都在加大對柴油發(fā)動機低溫啟動性能的研究。

溫度是影響柴油機普及的一個主要因素;我國寒帶性的氣候有寒冷、寒溫型，在東北三省、烏魯木齊等地區(qū)屬于寒冷型氣候，最低溫度能夠達到零下50℃左右，其他寒帶性氣候地域平均最低氣溫也都達到零下30℃左右，在這些地區(qū)使用柴油發(fā)動機，其啟動性能顯得非常重要，所以以東風、解放、重汽等為主的重型柴油車企業(yè)，都越來越重視重型柴油車發(fā)動機低溫啟動的性能，旨在靠著方面的技術(shù)在行業(yè)領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。甚至有國外的重型柴油車公司，將對柴油車發(fā)動機低溫啟動性能的研究放在第一位，在這個研究前提下再去研究柴油機的其他各方面性能如使用周期、運行噪音、尾氣排放等。由此可見，提高重型柴油車發(fā)動機低溫啟動性能十分重要。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

柴油機的啟動性能是評估其性能的重要指標之一。國內(nèi)外已經(jīng)進行了許多研究以改善其啟動過程。 但是，早期研究僅集中于添加輔助設(shè)備以確保柴油發(fā)動機在低溫下平穩(wěn)啟動。 直到近年來，隨著排放標準的日益嚴格，以及測試手段和電子控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，許多大學科研機構(gòu)和公司開始深入研究點火，燃燒過程及相關(guān)因素，以達到提高柴油發(fā)動機低溫啟動性能目的。在滿足啟動性能要求的前提下減少排放。

柴油的著火和燃燒主要取決于壓縮后氣缸的壓力，溫度，柴油屬性和柴油輸送特性。由于較低的初始壁溫和氣缸內(nèi)的開始向后速度，傳熱損失和漏氣損失增加，氣缸內(nèi)的壓縮溫度和壓力遠低于正常工作條件，并且在氣缸內(nèi)混合物的形成條件在冷卻器的啟動條件下氣缸不良，這使點火和燃燒性能變差。影響柴油機冷啟動性能的主要因素是環(huán)境溫度，環(huán)境壓力，反向阻力速度，燃油噴射參數(shù)，燃油特性，壓縮比，燃燒室設(shè)計等。

3 柴油機低溫啟動困難分析

在低溫情況下，柴油機是否能夠正常啟動取決于非常多的因素，但是最主要的三個因素如下，即柴油機低溫發(fā)動三要素：

燃料的物理性質(zhì)，即柴油的流動性，只有滿足足夠充分的柴油流動性，發(fā)動機在啟動時才能夠獲取到充足燃料，才得以啟動;

經(jīng)過壓縮后的發(fā)動機氣缸內(nèi)達到溫度、壓強條件，在在這種條件下，燃料更容易著火，發(fā)動機可以啟動;

柴油機初啟動時，要有一定轉(zhuǎn)速，有利于形成混合氣體，達到啟動條件。

在溫度極低的情況下，上訴3個條件都很難達到。由于外界氣溫低導(dǎo)致發(fā)動機裝置溫度也低，這種情況下發(fā)動機轉(zhuǎn)速得不到快速提升，這就會造成燃料氣態(tài)流失以及熱量流失，出現(xiàn)實際壓縮比減少、氣缸內(nèi)燃料溫度低以及壓強小、燃料混合氣體難形成、燃料難點燃等現(xiàn)象;低溫情況下液體流動緩慢，即發(fā)動機潤滑油粘度大，發(fā)動機啟動阻力增大，轉(zhuǎn)速降低;在燃料方面，低溫情況下的柴油容易產(chǎn)生油水分離現(xiàn)象，即底層柴油變得更加粘稠，甚至出現(xiàn)凝固現(xiàn)象，流動性極差，然后輸送量達不到發(fā)動機需求，且粘稠狀態(tài)下的柴油極難形成混合氣體，導(dǎo)致燃料無法點燃，或是斷續(xù)點火，此時進入發(fā)動機壓縮倉的燃料依附于倉壁，導(dǎo)致油膜損壞，增加混合氣體的流失，同時導(dǎo)致壓縮倉內(nèi)溫度無法提升。上述所有的情況，都導(dǎo)致柴油發(fā)動機無法啟動。

如果不采取一定的手段措施，低溫情況下，要想柴油機正常運行十分困難，甚至是不可能實現(xiàn)的。因此，要想提高重型柴油車發(fā)動機低溫啟動性能，就必須要結(jié)合上述三要素，從重型柴油車發(fā)動機的預(yù)熱裝置、輔助啟動裝置、潤滑油參數(shù)等幾方面入手，研究其解決方案，達到提高重型柴油車發(fā)動機低溫啟動性能的目的。

4 提高重型柴油車發(fā)動機低溫啟動性能的技術(shù)研究

鎖隨著國家科學技術(shù)水平提升，加上相關(guān)技術(shù)人員多年來的研究，針對柴油發(fā)動機低溫啟動困難，現(xiàn)已研究出多種技術(shù)，每種技術(shù)均存在著一些優(yōu)缺點，對于不同的重型柴油車型，每種技術(shù)也有著不同的兼容性。筆者就目前市面上以東風、解放、重汽等為主的重型柴油車企業(yè)使用的主流技術(shù)進行一定研究。

4.1 火焰進氣預(yù)熱技術(shù)

（1）技術(shù)原理

該技術(shù)主要內(nèi)容是對柴油機加裝火焰進氣預(yù)熱裝置，火焰進氣預(yù)熱裝置是通過火焰預(yù)熱塞使柴油在進氣管內(nèi)燃燒，形成火焰加熱進氣的預(yù)熱裝置。該裝置由預(yù)熱塞、電磁閥、進油管、出油管、控制器、水溫傳感器等組成。該裝置的預(yù)熱塞有良好的點燃性與續(xù)燃性，可以很好地預(yù)熱柴油機的進氣，改善燃燒條件，使柴油機在-35℃的低溫下起動，并可減少排氣管冒白煙，降低污染。該裝置的控制器采用微電腦控制技術(shù)，功能智能化，操作簡單。它是一種先進的進氣預(yù)熱裝置，廣泛用于重型柴油機車、工程車、大型設(shè)備及移動電站。目前，在采用溫暖蓄電池的條件下，中國東風EQB210-20系列使用火焰進氣預(yù)熱裝置，可使HFF6840K57、HFF6841K57型大型客車發(fā)動機在- 34℃起動成功;解放車型AH3313、AH5310GSN8型車采用全自動火焰進氣預(yù)熱裝置，使YC6A260-20型發(fā)動機在溫度高于-25 ℃時可保證發(fā)動機起動成功;部分斯太爾系列柴油機在進氣歧管處安裝火焰預(yù)熱裝置，依靠進氣管上的2個預(yù)熱塞進行進氣預(yù)熱，可保證車輛在- 30 ℃以上正常啟動。

（2）技術(shù)優(yōu)缺點及局限性分析

優(yōu)點：重型柴油車發(fā)動機加裝火焰進氣預(yù)熱裝置，在一定程度上可以解決柴油機低溫啟動難的問題，使用效果比較明顯。

缺點：在低于-35℃的自然環(huán)境中，采取單塞就很難正常啟動發(fā)動機，采取雙塞（單塞加熱功率已達330W）總加熱功率可達660W左石。提高加熱功率能夠適當提高混合氣體溫度，但是對于發(fā)動機啟動不明顯;裝置加裝操作比較復(fù)雜，且操作不當帶量損害大。

局限性：在高于-35℃的情況下發(fā)動機啟動效果比較明顯，但是在低于-35℃的自然環(huán)境中，無法達到預(yù)期效果。

4.2 PTC進氣預(yù)熱技術(shù)

（1）技術(shù)原理

該技術(shù)主要內(nèi)容是對柴油機加裝PTC進氣預(yù)熱裝置，柴油機PTC進氣預(yù)熱裝置組成部分包括PTC進氣預(yù)熱器、氣門控制機構(gòu)、預(yù)熱時間控制器、預(yù)熱啟動保護開關(guān)組成。其使用機制就是在低溫狀態(tài)下提高空氣溫度使壓縮空氣在壓縮狀態(tài)下達到燃油燃燒所需要的溫度。PTC柴油進氣預(yù)熱裝置是由北京天啟星公司生產(chǎn)的，東風汽車公司為提高柴油汽車在高寒地區(qū)冬季啟動性能而在EQ1108G6D-501和EQ1141G2-550載貨汽車上安裝的新的裝置。

（2）技術(shù)優(yōu)缺點分析

優(yōu)點：PTC預(yù)熱進氣裝置由于比較簡單，安裝接線比較方便，且對柴油機本體結(jié)構(gòu)不發(fā)生重大改變，柴油機在低溫環(huán)境下啟動效果較好;它與常用的火焰塞、電熱塞相比，具有自動恒溫，耗比低，可靠性高、壽命長、故障率低、熱效率高，適用溫度范圍廣、控制器聲光顯示等多項優(yōu)點。

缺點：由于安裝調(diào)整不規(guī)范，或操作不恰當，裝置容易產(chǎn)生一些常見故障，如預(yù)熱開關(guān)打開后指示燈不亮、預(yù)熱時間超過5 min 時，指示燈不閃爍，蜂鳴器不響、打開電源開關(guān)或打開預(yù)熱器開關(guān)時燒斷易熔線等。

4.3 改變潤滑油低溫動力粘度指標

（1）技術(shù)原理

低溫動力粘度指油品在規(guī)定條件下，采用毛細管粘度計或旋轉(zhuǎn)粘度計在低溫下所測得的動力粘度的習慣用語。在潤滑油規(guī)格中，其單位以毫帕·秒（mPa·s）表示。內(nèi)燃機油的低溫動力粘度是多級內(nèi)燃機油低溫性能的重要指標。低溫動力粘度越大，發(fā)動機在低溫運轉(zhuǎn)時的困難也越大，潤滑油到達磨擦部位所需的時間也越長，磨擦時會出現(xiàn)短暫的干磨擦或半液體磨擦 而增加磨損。潤滑油包括基礎(chǔ)油（70N、150N、500N、150BS）、功能添加劑（柴油機油添加劑）、粘度指數(shù)改進劑（PIB聚異丁烯共聚物、OCP乙丙烯共聚物、HSD氫化苯乙烯雙烯共聚物、PMA聚甲基丙烯酸酯）、降凝劑（聚a-烯烴、烷基萘、聚酯類）等材料。通過粘度指數(shù)改進劑、基礎(chǔ)油、各類功能添加劑三者占比調(diào)合，在調(diào)合多級油時， 因為基礎(chǔ)油本身的粘溫性能不能同時滿足多級油的高低溫粘度要求， 必須加入粘度指數(shù)改進劑（VI劑）來改善油品的粘溫性能，最終可以達到提高重型柴油車發(fā)動機低溫啟動性能的目的。

（2）技術(shù)優(yōu)缺點分析

優(yōu)點：改變潤滑油低溫動力粘度指標，一方面可以提高發(fā)動機起動轉(zhuǎn)速，另一方面降低發(fā)動機最低起動轉(zhuǎn)速，這對提高重型柴油車發(fā)動機低溫啟動性能都起到非常重要的作用。

缺點：由于潤滑油的組成成分角度，想要改變潤滑油低溫動力粘度的指標操作起來具有一定的難度，成本較大，且若是各種基礎(chǔ)油添加比重不合理會對柴油發(fā)動機造成一定損傷。

5 發(fā)展前景

目前而言，提升重型柴油車發(fā)動機低溫啟動性能，對于我國的柴油機領(lǐng)域有著顯著作用，同時也能夠增加重型柴油車在寒冷氣候地區(qū)、冬季使用效果，減少柴油車發(fā)動機因低溫而無法正常啟動的情況。同時，使用低硫優(yōu)質(zhì)柴油及代用燃料，在一定程度上可以減少柴油機NOx的排放量與顆粒排放量，達到環(huán)境保護作用。目前，我國正大力研究提高重型柴油車發(fā)動機低溫啟動性能的技術(shù)，旨在提高經(jīng)濟效益的同時，達到環(huán)境保護目的。

6 結(jié)語

柴油機低溫起動性能是重要的質(zhì)量指標，柴油車只有低溫起動性能得到改善后才能適于在寒冷地區(qū)使用，同時在極低溫度下采取相關(guān)技術(shù)能夠減少 發(fā)動機磨損，防止發(fā)生機械故障，延長發(fā)動機的使用壽命。

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