礦山機械發(fā)動機冷啟動性能及技術改造分析

宋小駒，李 俚

（1.廣西柯瑞機械設備有限公司，南寧 530000；2.廣西大學，南寧 530004）

0 前言

二十一世紀以來，隨著社會的飛速發(fā)展，空氣中污染物的排放加劇，隨著空氣污染的加劇，國家對發(fā)動機的管理越來越嚴格。發(fā)動機作為主要的排污設備已然成為社會關注的焦點。而發(fā)動機的冷啟動問題是造成污染排放的重要原因之一[1]，且發(fā)動機的冷啟動困難不僅會早造成環(huán)境污染，而且會影響工作進行，嚴重時會造成設備的損壞。以礦山機械發(fā)動機為例，一方面礦山機械發(fā)動機工作環(huán)境多為露天寒冷的北方，發(fā)動機經常發(fā)生冷啟動問題，發(fā)動機冷啟動階段，由于溫度過低，發(fā)動機啟動時燃油霧化不好，燃燒不充分。另一方面，燃油催化劑需要在380℃左右內才能達到最大的轉換效率。在低溫環(huán)境下，催化轉化器的溫度過低，催化轉化器不會發(fā)揮其作用，造成污染物的大量排放（主要包括CO 和HC）。以HC 為例，HC 的主要排放集中在冷啟動的1～2 min內。除此之外，冷啟動困難甚至會造成無法啟動的問題，發(fā)動機積碳等給設備造成不可逆的損害。影響正常的工期，甚至造成設備損壞增大設備的維修成本。因此，解決發(fā)動機冷啟動問題具有重大意義[2]，努力改進發(fā)電機冷啟動問題，讓發(fā)電機能夠適應寒冷條件。

1 冬季冷啟動困難的原因分析

冷啟動困難的原因有多種。主要愿意是由于設備溫度較低，燃油粘度過低造成噴油器無法正常工作，噴出的油過濃，無法正常進行反應及做工。冷卻液不能正產工作，傳感器失靈。冷啟動困難還會造成進氣管積碳，而進氣管積碳又反過來影響發(fā)動機的啟動，產生惡性循環(huán)，損壞設備。

除此之外，由于天氣過冷或空氣中的揚塵粉煤灰，會影響輔助設備的正常工作。首先影響車載系統(tǒng)的消耗。車載系統(tǒng)消耗過大，會降低蓄電池對其他部件的供電電壓。其次在較低的溫度環(huán)境下，蓄點出的可逆比容量大大降低，車載輔助系統(tǒng)耗電量巨大，在待機狀態(tài)下，車載輔助系統(tǒng)的耗電量占總耗電量的50%以上。特別是在嚴寒的冬季欠壓的情況時經常發(fā)生。在工作過程中，工程機械的作業(yè)時間在3 h 左右，一天的大部分時間都處于停機狀態(tài)，且有缺少停機狀態(tài)的設備維護。易出現欠飽和狀態(tài)，發(fā)動機在長時間未啟動，溫度下降，導致啟動困難。最后，可能的原因是由于蓄電池本征的缺陷，蓄電池可逆比容量降低，寒冷的北方，冬季大部分溫度在-20 ℃左右，電池比容量嚴重下降，導致機械設備啟動困難[3]。

礦山機械在啟動時依靠蓄電池供電，在啟動過程中存在較大的能量損耗，容易讓蓄電池出現欠飽和狀態(tài)，導致啟動時因電力不足而無法正常啟動；而且在寒冷條件下，蓄電池的容量比常溫下的容量更低，一般情況下，當溫度下降5 ℃，電池的容量下降5%，特別當溫度低于-10 ℃時，容量下降高于5%，使蓄電池的容量下降，導致在啟動過程中，因為電壓不足或者電量不足，使礦山機械無法正常啟動，影響礦山開采的正常工作[4-6]。

2 預防冷啟動困難的方法

2.1 外置預熱

工作間隙對工程機械進行預設保溫是防止發(fā)動機冷啟動的有效方法。由于預熱一臺發(fā)動機需要1個多小時的時間，所以對設備的預熱需要借助外部設備。除此之外可對設備進行改造，增加預熱回收裝置，將工作時候的廢熱進行回收，儲存。將余熱管道與發(fā)動機連接，保持發(fā)動機時刻處于0 ℃以上。除此之外，還可以對必要的設備進行保溫處理，主要管道包裹保溫棉。一般情況下，每隔10 min 必須要啟動發(fā)動機來給蓄電池充電，保證機械發(fā)電機處于預熱狀態(tài)，這種方法能夠從根本上解決冷啟動困難，從而保證礦山機械的正常工作，讓礦山開采更有序的進行。

2.2 定時啟動充電

機械裝置在待機時，可要求師傅進行定時啟動充電，頻率保持在10 min/次。以避免設備負荷太大造成的蓄電池欠壓的問題。除此之外，如有必要可以更換低溫性能更好的鋰離子電池。礦山機械真正工作的時間一般在2～3 h，其余時間都處于待機狀態(tài)，但在待機狀態(tài)中，輔助系統(tǒng)仍然正常工作，而且蓄電池為輔助系統(tǒng)進行供電，消耗了大量的能量。因此，必須要進行定時啟動發(fā)動機，從而能夠為啟動充電，防止出現冷啟動困難或者無法啟動的現象，保證了礦山機械在寒冷環(huán)境下的正常工作。

2.3 安裝前置催化劑

發(fā)動機冷起動時，由于溫度較低，催化轉換器不能正常的工作，且缸內混合氣較濃，易造成嚴重的尾氣排放問題。盡快提高催化轉換器的溫度是減少冷起動后排放污染的一條有效途徑?？蓪⒋呋D換器與排氣歧管連接在一起，利用排氣歧管的預熱、廢熱迅速提高催化轉換器的溫度，設備啟動后，在數十秒后就可以達到運行溫度。但也要注意，由于催化劑靠近排氣歧管，設備會產生排期阻力等問題，需要認真考慮[7]。適當地采用新型的催化劑來推動發(fā)動機啟動，讓催化劑能夠有效的推動發(fā)動機冷啟動，保證礦山機械發(fā)電機能夠正常啟動，保證礦山機械能夠正常工作。

3 常規(guī)冷啟動方法帶來的影響

3.1 直接隱患

冬季發(fā)動機噴油霧化效果差，冷啟動困難造成頻繁的設備啟動，會導致發(fā)動機內部工作部件積炭增多。發(fā)動機氣缸設備精密，積碳過多會嚴重影響氣缸的使用壽命，造成維修成本升高，并且在發(fā)動機運行過程中，更容易發(fā)生早燃和爆燃現象，導致發(fā)動機機的功率下降，有實驗研究證明發(fā)動機功率損失10%左右，問題嚴重時，可能導致活塞燒蝕。在設備正常運作時，若發(fā)生以上現象，不僅發(fā)動機會存在報廢的危險，而且影響工作的進行。爆燃會增加曲軸及活塞連桿組的機械負荷，增加發(fā)動機部件之間的磨損；發(fā)動機如果長時間處于爆燃狀態(tài)會使活塞環(huán)斷裂，引起拉缸故障；爆燃產生沖擊波破壞缸壁表面的油膜，惡化活塞與氣缸摩擦副的潤滑[8]；沖擊波會增強氣缸壁面的傳熱，使發(fā)動機過熱，導致發(fā)動機部件損耗加劇。載長期處于爆燃工作狀態(tài)，發(fā)動機的功率大大下降，熱效率大大降低，增加不必要的油耗損失，活塞脫頂現象會經常發(fā)生，降低發(fā)動金的使用壽命，可靠性大大降低，長此以往會對發(fā)動機產生不可逆的損傷，發(fā)動機報廢會時長發(fā)生。

3.2 潛在隱患

司機工作量大大增加，長時間頻繁的啟動，會使操作人員更加疲憊。在工作工程中，司機師傅需要時刻關注運行時間。工作更加復雜，司機誤操作的隱患大大增加。有必要時可能需要增加操作人手，但是工作人員的增多又會大大提高運行成本，不是長久之策[9]。對發(fā)電機的監(jiān)管體系不完整，發(fā)電機要定時的進行啟動，有可能因為相應的監(jiān)管體系不完善而導致發(fā)電機沒有定時啟動。

4 改進方法分析

目前，鉛酸蓄電池作為主要的供電裝置已廣泛應用在礦山機械設備中，然而隨著國家對電池等新能源技術的發(fā)展，市場上已經涌現出各種各樣的儲能裝置，有燃料電池、鈉離子電池、鋰離子電池、超級電容等。新能源技術的發(fā)展使得電池的性能越來越高。以鋰離子電池為例，鋰離子電池具有能量密度高、低溫性能好、工作電壓高、循環(huán)性能好等優(yōu)點，完全可以替代傳統(tǒng)的鉛酸電池。該電池其有充放電線路簡單，徹底免維護，檢測方便等突出優(yōu)點。鑒于鋰離子電池的優(yōu)點及國家大大力支持，鋰離子電池得到巨大的普及，價格逐年降低，為解決發(fā)動機冷啟動問題提供了新思路，目前預設2 種改進方案：

（1）將原有的蓄電池與鋰離子電池并聯，為發(fā)動機系統(tǒng)供電。這樣就可以結合蓄電池和鋰離子電池的優(yōu)點，既不會造成原有供電設備的浪費，又能充分發(fā)揮鋰離子電池的優(yōu)勢，優(yōu)勢互補。

（2）鋰離子電池組在發(fā)動機冷啟動時，需要向設備組提供電能，需要承擔起車載電氣配套系統(tǒng)的常規(guī)運行電量供應。

（3）在礦山輔助工程車輛發(fā)動機運轉時，為超級鋰電池組和蓄電池充電過程中，保證鋰電池模組保持均壓，充電平衡問題等充電策略問題[10]。減少輔助工程車輛發(fā)電機的耗能，在礦山機械待機工程中，要減少輔助工程車輛發(fā)電機的能量損耗，防止在發(fā)電機啟動過程中出現欠壓現象，保證發(fā)電機能夠正常工作。

（4）必須要完善發(fā)電機監(jiān)管體系，保證發(fā)電機能夠定時的啟動和充電。采用新型的檢測設備來對發(fā)電機進行實時監(jiān)測，保證發(fā)電機能夠正常啟動，這樣既節(jié)約了人力資源，又能夠保證發(fā)電機正常啟動，保證礦山機械的正常工作。

5 改造的意義及前景分析

5.1 改造的意義

（1）鋰離子電池組作為發(fā)動機冷啟動時電源，能彌補因低溫情況下，電池容量的下降，避免產生冷啟動困難；能夠保證在寒冷條件下，礦山機械的的正常啟動和正常工作，從而能夠保證工作效率，防止出現安全事故。

（2）避免因頻繁低溫狀態(tài)下啟動帶來的蓄電池電能流失及蓄電池老化加速等問題，能夠保持電池組的使用壽命，降低維修成本；提高了礦山機械的壽命，保證了礦山機械的使用安全，能夠節(jié)約機械啟動的電能，防止因難以啟動帶來的機械內部磨損，從而能夠讓機械更好的工作，提高了礦山機械的性能。

（3）避免因冷啟動困難的頻繁啟動帶來的積炭增多，降低發(fā)動機部件的磨損程度，是提高使用壽命，降低發(fā)動機故障率的必要措施；能夠減少應啟動困難帶來的積碳等物質，能夠降低積碳等物質帶來的磨損，提高了礦山機械的壽命。

（4）保證礦工機械的正常使用，減小故障頻率，提高連續(xù)生產天數，將提高企業(yè)盈利。

發(fā)動機總成預計百萬以上，百萬以上的發(fā)動機的維修費用預計在數十萬左右。發(fā)動機啟動回路通過利用鋰電池組改造后，大大提高大修周期，約100天以上。減少因驅動電源的故障帶來的大修頻率。根據目前機械設備的運行情況，改造之后的礦工機械預計每年減少至少1 次的法修問題，預計帶來的直接經濟效益可減少70 萬元左右。

（5）通過技術改造間接的降低了耗油量，減少了廢氣的排放，達到節(jié)能減排的作用，。對環(huán)境保護起到很重要的作用。機械冷啟動減少比傳統(tǒng)的礦山機械需要的能量少，減少了使用和啟動成本，而且該技術廢氣的排放量較少，能夠減少機械給環(huán)境帶來的污染。

（6）此外經過技術改造后，可以大大降低司機頻繁的啟動發(fā)動機及充放電，操作更加簡單，降低操作頻率，減少因為操作失誤而帶來的隱形的問題，大大提高了實際師傅的工作效率。該技術在啟動過程中噪音比傳統(tǒng)的礦山機械更小，能夠進行無聲啟動，而且啟動和使用的方法比較簡單，方便使用人員更好的操作，從而能夠降低操作失誤，提高工作效率和安全。

5.2 改造的前景

通過調查研究發(fā)現，中國的北方大部分地區(qū)都存在發(fā)動機冷啟動困難的問題。這個礦山生產帶來很大的困難。目前發(fā)動機冷啟動問題已成為礦產生產亟待解決的問題。節(jié)能減排，降低成本，是工業(yè)生產追求永恒不變的話題，直接關系了我國高質量發(fā)展的發(fā)展戰(zhàn)略。

運用鋰離子電池解決冷啟動問題，提高生產效率和產能。從上述情況可以看出發(fā)動機鋰離子電池冷啟動技術，對我國寒冷的北方礦業(yè)生產的必要性和重要性。建議加大該方向的研發(fā)和技術改造工作。

6 結束語

綜上所述，礦山機械發(fā)電機的冷啟動具有重要作用，能夠保證寒冷條件下的性能和工作效率。因此，必須要對礦山機械發(fā)電機冷啟動技術和性能進行改造，保證機械能夠在寒冷環(huán)境下的工作效率，保證礦山開采的安全和進度。也要打破傳統(tǒng)冷啟動技術，采用新型的技術來完善冷啟動，從而使機械能夠更好的適應寒冷環(huán)境，提高了工作效率。