提高重型柴油車發(fā)動(dòng)機(jī)低溫啟動(dòng)性能的研究

李歡

戰(zhàn)略支援部隊(duì)綜合訓(xùn)練大隊(duì) 100094

前言

在低溫環(huán)境下的柴油機(jī)啟動(dòng)過程中，由于潤滑劑粘度的增加，進(jìn)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(dòng)階段冷啟動(dòng)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(huì)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(xiàn)認(rèn)為，在啟動(dòng)過程中和啟動(dòng)后的預(yù)熱過程中，由摩擦引起的磨損率占發(fā)動(dòng)機(jī)總磨損率的46-73%。 另外，不良的冷啟動(dòng)性能會(huì)增加電池和啟動(dòng)器的負(fù)擔(dān)，并增加故障率。因此，優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的冷啟動(dòng)性能也是維持發(fā)動(dòng)機(jī)和附件正常運(yùn)行的需要。

1 研究背景

目前，柴油機(jī)作為發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備的情況十分普遍，在國家經(jīng)濟(jì)水平逐漸提升，運(yùn)輸實(shí)現(xiàn)高速化的情況下，效率高的柴油機(jī)技術(shù)運(yùn)用十分廣泛。在國外，5t以上的載貨機(jī)車全部實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)化，同時(shí)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(jìn)行技術(shù)性改革，以東風(fēng)、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(dòng)機(jī)低溫啟動(dòng)性能的研究。

溫度是影響柴油機(jī)普及的一個(gè)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(dá)到零下50℃左右，其他寒帶性氣候地域平均最低氣溫也都達(dá)到零下30℃左右，在這些地區(qū)使用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，其啟動(dòng)性能顯得非常重要，所以以東風(fēng)、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(dòng)機(jī)低溫啟動(dòng)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(dòng)機(jī)低溫啟動(dòng)性能的研究放在第一位，在這個(gè)研究前提下再去研究柴油機(jī)的其他各方面性能如使用周期、運(yùn)行噪音、尾氣排放等。由此可見，提高重型柴油車發(fā)動(dòng)機(jī)低溫啟動(dòng)性能十分重要。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

柴油機(jī)的啟動(dòng)性能是評估其性能的重要指標(biāo)之一。國內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了許多研究以改善其啟動(dòng)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(dòng)機(jī)在低溫下平穩(wěn)啟動(dòng)。 直到近年來，隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)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(xué)科研機(jī)構(gòu)和公司開始深入研究點(diǎn)火，燃燒過程及相關(guān)因素，以達(dá)到提高柴油發(fā)動(dòng)機(jī)低溫啟動(dòng)性能目的。在滿足啟動(dòng)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(yuǎn)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(dòng)條件下氣缸不良，這使點(diǎn)火和燃燒性能變差。影響柴油機(jī)冷啟動(dòng)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(jì)等。

3 柴油機(jī)低溫啟動(dòng)困難分析

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

燃料的物理性質(zhì)，即柴油的流動(dòng)性，只有滿足足夠充分的柴油流動(dòng)性，發(fā)動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)才能夠獲取到充足燃料，才得以啟動(dòng)；

經(jīng)過壓縮后的發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)達(dá)到溫度、壓強(qiáng)條件，在在這種條件下，燃料更容易著火，發(fā)動(dòng)機(jī)可以啟動(dòng)；

柴油機(jī)初啟動(dòng)時(shí)，要有一定轉(zhuǎn)速，有利于形成混合氣體，達(dá)到啟動(dòng)條件。

在溫度極低的情況下，上訴3個(gè)條件都很難達(dá)到。由于外界氣溫低導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)裝置溫度也低，這種情況下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速得不到快速提升，這就會(huì)造成燃料氣態(tài)流失以及熱量流失，出現(xiàn)實(shí)際壓縮比減少、氣缸內(nèi)燃料溫度低以及壓強(qiáng)小、燃料混合氣體難形成、燃料難點(diǎn)燃等現(xiàn)象；低溫情況下液體流動(dòng)緩慢，即發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油粘度大，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)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(dòng)性極差，然后輸送量達(dá)不到發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)燃，或是斷續(xù)點(diǎn)火，此時(shí)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)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(dòng)機(jī)無法啟動(dòng)。

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

4 提高重型柴油車發(fā)動(dòng)機(jī)低溫啟動(dòng)性能的技術(shù)研究

鎖隨著國家科學(xué)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(dòng)機(jī)低溫啟動(dòng)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(diǎn)，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(fēng)、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(jìn)行一定研究。

4.1 火焰進(jìn)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(jī)加裝火焰進(jìn)氣預(yù)熱裝置，火焰進(jìn)氣預(yù)熱裝置是通過火焰預(yù)熱塞使柴油在進(jìn)氣管內(nèi)燃燒，形成火焰加熱進(jìn)氣的預(yù)熱裝置。該裝置由預(yù)熱塞、電磁閥、進(jìn)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(diǎn)燃性與續(xù)燃性，可以很好地預(yù)熱柴油機(jī)的進(jìn)氣，改善燃燒條件，使柴油機(jī)在-35℃的低溫下起動(dòng)，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(jìn)的進(jìn)氣預(yù)熱裝置，廣泛用于重型柴油機(jī)車、工程車、大型設(shè)備及移動(dòng)電站。目前，在采用溫暖蓄電池的條件下，中國東風(fēng)EQB210-20系列使用火焰進(jìn)氣預(yù)熱裝置，可使HFF6840K57、HFF6841K57型大型客車發(fā)動(dòng)機(jī)在- 34℃起動(dòng)成功；解放車型AH3313、AH5310GSN8型車采用全自動(dòng)火焰進(jìn)氣預(yù)熱裝置，使YC6A260-20型發(fā)動(dòng)機(jī)在溫度高于-25 ℃時(shí)可保證發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)成功；部分斯太爾系列柴油機(jī)在進(jìn)氣歧管處安裝火焰預(yù)熱裝置，依靠進(jìn)氣管上的2個(gè)預(yù)熱塞進(jìn)行進(jìn)氣預(yù)熱，可保證車輛在- 30 ℃以上正常啟動(dòng)。

第二次籌糧高潮是進(jìn)行松潘戰(zhàn)役和準(zhǔn)備過草地的1935年7、8月間，分兩片區(qū)域，一是黑水、毛爾蓋；一是黨壩、卓克基、松崗、馬爾康、梭磨地區(qū)。

（2）技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)及局限性分析

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

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

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

4.2 PTC進(jìn)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(jī)加裝PTC進(jìn)氣預(yù)熱裝置，柴油機(jī)PTC進(jìn)氣預(yù)熱裝置組成部分包括PTC進(jìn)氣預(yù)熱器、氣門控制機(jī)構(gòu)、預(yù)熱時(shí)間控制器、預(yù)熱啟動(dòng)保護(hù)開關(guān)組成。其使用機(jī)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(dá)到燃油燃燒所需要的溫度。PTC柴油進(jìn)氣預(yù)熱裝置是由北京天啟星公司生產(chǎn)的，東風(fēng)汽車公司為提高柴油汽車在高寒地區(qū)冬季啟動(dòng)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(diǎn)分析

優(yōu)點(diǎn)：PTC預(yù)熱進(jìn)氣裝置由于比較簡單，安裝接線比較方便，且對柴油機(jī)本體結(jié)構(gòu)不發(fā)生重大改變，柴油機(jī)在低溫環(huán)境下啟動(dòng)效果較好；它與常用的火焰塞、電熱塞相比，具有自動(dòng)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(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。

缺點(diǎn)：由于安裝調(diào)整不規(guī)范，或操作不恰當(dāng)，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(shí)間超過5 min 時(shí)，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(shí)燒斷易熔線等。

4.3 改變潤滑油低溫動(dòng)力粘度指標(biāo)

（1）技術(shù)原理

低溫動(dòng)力粘度指油品在規(guī)定條件下，采用毛細(xì)管粘度計(jì)或旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)在低溫下所測得的動(dòng)力粘度的習(xí)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(jī)油的低溫動(dòng)力粘度是多級內(nèi)燃機(jī)油低溫性能的重要指標(biāo)。低溫動(dòng)力粘度越大，發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的困難也越大，潤滑油到達(dá)磨擦部位所需的時(shí)間也越長，磨擦?xí)r會(huì)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(jī)油添加劑）、粘度指數(shù)改進(jìn)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(jìn)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(shí), 因?yàn)榛A(chǔ)油本身的粘溫性能不能同時(shí)滿足多級油的高低溫粘度要求, 必須加入粘度指數(shù)改進(jìn)劑（VI劑）來改善油品的粘溫性能，最終可以達(dá)到提高重型柴油車發(fā)動(dòng)機(jī)低溫啟動(dòng)性能的目的。

（2）技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)分析

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

缺點(diǎn)：由于潤滑油的組成成分角度，想要改變潤滑油低溫動(dòng)力粘度的指標(biāo)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(huì)對柴油發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)低溫啟動(dòng)性能，對于我國的柴油機(jī)領(lǐng)域有著顯著作用，同時(shí)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(dòng)機(jī)因低溫而無法正常啟動(dòng)的情況。同時(shí)，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(jī)NOx的排放量與顆粒排放量，達(dá)到環(huán)境保護(hù)作用。目前，我國正大力研究提高重型柴油車發(fā)動(dòng)機(jī)低溫啟動(dòng)性能的技術(shù)，旨在提高經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，達(dá)到環(huán)境保護(hù)目的。

6 結(jié)語

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