關(guān)于寒冷天氣下柴油機(jī)啟動及應(yīng)對的思考

楊燦

摘要：本文根據(jù)公司所在高緯度工作區(qū)域天氣寒冷的實(shí)際情況，針對柴油機(jī)在冬季冷啟動困難，長時間打火易造成起動機(jī)燒毀，蓄電池壽命縮短;急料運(yùn)輸時因車輛啟動時間長耽誤時間;氣溫驟降造成柴油凝結(jié)無法流動等問題進(jìn)行分析，探索研究應(yīng)對極低溫度下冷啟動困難的措施。

Abstract： According to the cold weather in the high latitude working area of our company， it is difficult for the diesel engine to start in cold winter， and it is easy to burn the starter and shorten the service life of the battery if it is ignited for a long time. During the transportation of urgent materials， the time is delayed due to the long starting time of vehicles. This paper analyzes the problems of diesel oil condensation and flow caused by sudden drop of temperature， and explores the measures to deal with the difficulty of cold start at extremely low temperature.

關(guān)鍵詞：柴油;柴油機(jī);低溫;冷啟動;霧化;預(yù)熱;經(jīng)濟(jì)性

Key words： diesel oil;diesel engine;microtherm;cold-start;atomization;preheat;economy

中圖分類號：TK429? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）20-0132-02

0? 引言

中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司重慶運(yùn)輸總公司某事業(yè)部主要工作區(qū)域涵蓋陜甘寧蒙，該區(qū)域10月開始進(jìn)入冬季后，最低氣溫將降至-20℃以下，必須根據(jù)實(shí)時氣溫加注-10～-35號柴油，否則車輛會因?yàn)椴裼驮诓裼蜋C(jī)的燃油系內(nèi)凝結(jié)無法流動，導(dǎo)致柴油機(jī)無法正常啟動，對車輛的正常運(yùn)行和使用維護(hù)都造成了極大困難，也對公司的生產(chǎn)保障能力提出了挑戰(zhàn)。

1? 低溫下柴油機(jī)啟動困難的原因分析

①低溫下蓄電池性能線性降低。一般來說蓄電池的最佳工作溫度在10℃～40℃的范圍內(nèi)，嚴(yán)寒天氣會導(dǎo)致蓄電池電解液的黏度增加，滲透能力下降，從而使內(nèi)阻增大、容量和端電壓下降，使起動機(jī)驅(qū)動扭矩降低，達(dá)不到最低起動轉(zhuǎn)速，難以驅(qū)動柴油機(jī)著火運(yùn)轉(zhuǎn)。

②低溫下柴油霧化質(zhì)量變差。低溫天氣下，柴油的粘度和密度均增大，表面張力增加，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)測定，當(dāng)環(huán)境溫度從40℃降低到-10℃時，柴油粘度會提高83%，密度增大8%，這種變化會導(dǎo)致噴油器噴出的柴油不易霧化，由于柴油液滴顆粒大，易與冷的氣缸壁、活塞頂接觸形成更大顆粒的柴油液滴，使混合氣濃度進(jìn)一步降低，影響起動性能。

③低溫下曲軸旋轉(zhuǎn)阻力矩增大。隨著溫度降低，柴油機(jī)機(jī)油粘度增加，甚至凝結(jié)，流動性差，各摩擦副之間阻力加大，從而加大了曲軸的旋轉(zhuǎn)阻力矩，使柴油機(jī)起動轉(zhuǎn)速降低。

④柴油機(jī)氣缸壓縮終了時混合氣溫度達(dá)不到著火的最低溫度。試驗(yàn)表明，當(dāng)柴油機(jī)吸入的空氣溫度在-30℃以下時，壓縮終點(diǎn)溫度小于430℃，不能使噴入的柴油液滴著火燃燒。

2? 目前采用的改善措施及效果

根據(jù)以上造成低溫下柴油機(jī)啟動困難的原因，目前事業(yè)部已經(jīng)采取了以下幾點(diǎn)措施來改善柴油機(jī)在低溫下的起動特性。

①采用低溫性能好的蓄電池。目前選用的萬里6-QW-165免維護(hù)蓄電池，可在-40℃環(huán)境條件下正常工作。另外也可以給采用給蓄電池加裝保溫措施來降低電解質(zhì)黏度，增加蓄電池的蓄電量。

②根據(jù)氣溫選擇合適的柴油標(biāo)號。不同標(biāo)號的柴油理化指標(biāo)不同，理論選用原則是柴油的凝點(diǎn)應(yīng)該比環(huán)境溫度低5℃左右為宜，長慶運(yùn)輸事業(yè)部一般規(guī)定在10月份氣溫降低時加注-10#柴油，根據(jù)氣溫下降幅度和時間逐步延伸到-20#和-35#柴油。

③選擇低溫性能可靠的潤滑油。目前事業(yè)部在用的機(jī)油是昆侖天威CH-4 15W/40四季通用機(jī)油，環(huán)境溫度范圍-15℃～30℃，經(jīng)過這兩年的使用，基本能滿足要求，低溫下機(jī)油粘度增加不明顯。另外在進(jìn)入冬季前提前對車輛的防凍液冰點(diǎn)進(jìn)行檢測，冰點(diǎn)在-35℃以上的進(jìn)行更換。

④安裝進(jìn)氣預(yù)熱裝置。目前事業(yè)部除部分吊車外基本上所有車型都帶有進(jìn)氣預(yù)熱裝置，主要是通過預(yù)熱裝置在發(fā)動機(jī)冷態(tài)啟動前對吸入的空氣進(jìn)行加熱，提高柴油機(jī)的起動性，即使在起動后，依據(jù)當(dāng)時的冷卻液溫度，對空氣繼續(xù)加熱一段時間，同時還可以減少柴油機(jī)爆震和冒白煙。

通過以上措施基本上能夠有效改善事業(yè)部在陜甘寧蒙地區(qū)車輛的低溫冷啟動性能，但是這必須建立在柴油標(biāo)號選擇合適的前提條件下。通過近兩年來事業(yè)部運(yùn)行區(qū)域中石油加油站負(fù)號柴油配送的情況來看，除烏審旗地區(qū)因資陽油庫在當(dāng)?shù)亟⒂屑佑驼军c(diǎn)可提前儲備以外，其他地區(qū)負(fù)號柴油上架銷售時間均滯后于氣溫下降的時間，部分地區(qū)，例如隴東中隊(duì)在2017年和2018年都遭遇了負(fù)號柴油的油荒，導(dǎo)致車輛正常運(yùn)行受到一定的影響。

3? 提出問題

在低溫下如何提高柴油機(jī)氣缸壓縮終了時混合氣溫度和柴油霧化質(zhì)量，使其能達(dá)到著火點(diǎn)并正常起動？

壓縮終了時混合氣的溫度由進(jìn)氣溫度和進(jìn)入氣缸的柴油液滴溫度決定，由于目前的車輛均能利用電加熱裝置預(yù)熱進(jìn)入氣缸的空氣，那么如果能提高進(jìn)入氣缸前柴油的溫度，不僅能提高混合氣溫度，還能改善柴油霧化質(zhì)量。

4? 幾種提高柴油溫度的方式和優(yōu)劣性對比

4.1 利用柴油機(jī)冷卻液預(yù)熱柴油

在一臺柴油車上安裝兩個柴油箱，一個油箱盛裝0#柴油，另外一個根據(jù)溫度盛裝負(fù)號柴油。低溫啟動時首先接通負(fù)號柴油的箱內(nèi)的負(fù)號柴油來啟動柴油機(jī)。在車輛正常運(yùn)行后通過柴油機(jī)的冷卻液循環(huán)給0#柴油箱加熱，達(dá)到一定的溫度后切換燃油供給系統(tǒng)開關(guān)，開啟0#柴油箱，使用0#柴油正常工作。

優(yōu)點(diǎn)：改動量小，但需要在0#柴油箱內(nèi)安裝盤管循環(huán)冷卻液來加熱柴油。

缺點(diǎn)：一是在車輛歸隊(duì)或者收車前，需要將燃油供給系切換到負(fù)號柴油箱并運(yùn)轉(zhuǎn)一段時間，以便管路內(nèi)充滿負(fù)號柴油，避免停車后管路內(nèi)的0#柴油凝結(jié)造成堵塞，操作流程較繁瑣，駕駛員因疏忽忘記切換時可能導(dǎo)致車輛第二天無法起動。二是在遇到車輛突發(fā)故障被動長時間停車時可能堵塞管路。三是由于冷卻液工作溫度大約在85℃～95℃之間，車輛正常運(yùn)行時冷卻液對0#柴油箱持續(xù)加熱，無法控制溫度，容易增加油耗且有安全隱患。

4.2 安裝專門的液體燃油加熱器

在車上安裝專門的液體燃油加熱器，使用12V～24V直流電源，由電動機(jī)、燃燒室、水套體、水泵等組成。電動機(jī)帶動油泵、助燃風(fēng)扇及霧化器轉(zhuǎn)動，油泵吸入的燃油經(jīng)輸油管送到霧化器，霧化后與助燃風(fēng)扇吸入的空氣在主燃燒室內(nèi)混合，被電熱塞點(diǎn)燃，在后燃燒室內(nèi)充分燃燒后折返，經(jīng)水套內(nèi)壁的散熱片將熱量傳給水套夾層中的冷卻液介質(zhì)，被加熱介質(zhì)在水泵的作用下，在整個管路系統(tǒng)中循環(huán)，達(dá)到加熱的目的。

優(yōu)點(diǎn)：一是可以與發(fā)動機(jī)及強(qiáng)制散熱器等輔助散熱裝置組成循環(huán)系統(tǒng)，也可以單獨(dú)與散熱器、除霜器等組成循環(huán)系統(tǒng)。二是可以通過冷卻液同時加熱柴油箱和發(fā)動機(jī)達(dá)到工作溫度，且溫度可控。三是允許車輛油箱加注低于當(dāng)前環(huán)境溫度推薦標(biāo)號的柴油。

缺點(diǎn)：一是對車輛的管路改動較大。二是該加熱器需要獨(dú)立的且加注符合環(huán)境溫度推薦標(biāo)號的柴油。三是預(yù)熱時間需要10～15分鐘。

4.3 直接電熱塞或加熱管加熱

使用車輛自帶的蓄電池供電，在特制的油管內(nèi)穿一根發(fā)熱絲給柴油機(jī)進(jìn)油管加熱，配合使用棒式的加熱器插進(jìn)油箱內(nèi)加熱燃油，使燃油保持一定的溫度。

優(yōu)點(diǎn)：僅需要更換燃油供給系的部分管路，不改變原車結(jié)構(gòu)，不破壞油箱整體封閉性。

缺點(diǎn)：一是發(fā)熱絲與柴油直接接觸，可能存在很大的風(fēng)險，易導(dǎo)致油管老化，使用壽命短，耗電量大。二是隨著柴油的消耗，油箱內(nèi)的油液面不斷下降，暴露的部分變大，無用功耗電散熱加大，而浸泡在燃油液面下的部分加熱變慢，燃油溫度不穩(wěn)定，進(jìn)而使發(fā)動機(jī)工作不穩(wěn)定，耗能多，而且燃油加熱溫度不可調(diào)控，易使燃油變異，對發(fā)動機(jī)有損，更不能進(jìn)行恒溫安全控制而造成耗油量增加。三是由于柴油濾芯無法通過該種方式加熱必須拆除，可能因?yàn)椴裼蛢?nèi)的顆粒物造成噴油器堵塞等問題。

5? 經(jīng)濟(jì)性預(yù)測

公司某事業(yè)部從10月中旬起，所作業(yè)區(qū)域逐步進(jìn)入降溫期，開始加注負(fù)號柴油，一般從11月上旬起開始加-35#柴油。-35#柴油與0#柴油的升價差約為1.2元，以25噸運(yùn)輸車為例，百公里空車油耗32升，重車百公里油耗39升，里程利用率取58%，若能夠通過技術(shù)措施使車輛在冬季使用0#柴油也能正常運(yùn)行，即每百公里燃料費(fèi)可降低43.27元，專用車由于百公里油耗更高，費(fèi)用降低將更加可觀。即使不能完全用0#柴油來徹底取代-35#柴油，能夠?qū)?dāng)前環(huán)境溫度推薦標(biāo)號的柴油降低一個檔次也將帶來不小的技術(shù)創(chuàng)效。

6? 實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果

公司某事業(yè)部選擇在2臺相同車型的25噸四軸運(yùn)輸車上進(jìn)行試驗(yàn)，其中一臺安裝了某品牌智能控制燃油加熱器。在10月20日至12月10日進(jìn)行了為期51天的試驗(yàn)，在此期間，安裝了某品牌智能控制燃油加熱器的1號車出勤43天，累計(jì)運(yùn)行里程5345.26公里，實(shí)際消耗0#柴油1927.5升，未安裝液體燃油加熱器的2號車出勤38天，累計(jì)運(yùn)行里程4213.85公里，累計(jì)消耗-35#柴油1643.4升。

考慮到以上2臺試驗(yàn)車運(yùn)行區(qū)域基本一致，投產(chǎn)時間相同，再剔除駕駛員操作習(xí)慣、裝載貨物等客觀因素的影響，1號車平均每公里消耗0#柴油0.36升，2號車平均每公里消耗-35#柴油0.39升。

按照試驗(yàn)期間當(dāng)?shù)赜蛢r計(jì)算，2號車相對于1號車，每公里燃料成本增加約0.6元，即若能在確保安全的前提下，規(guī)范使用液體燃油加熱器，節(jié)約燃料成本應(yīng)該10%～15%，經(jīng)濟(jì)效益顯著，但仍應(yīng)該考慮該種形式的液體燃油加熱器的安全性和可靠性。

7? 結(jié)論及建議

當(dāng)前，地方上的車輛通過各種手段來改善柴油機(jī)低溫下冷啟動性能，嘗試使用0#或者低標(biāo)號柴油替代高標(biāo)號柴油的情況在陜甘寧蒙等高緯度地區(qū)已經(jīng)非常普遍，因此，加強(qiáng)公司在這方面的研究，不管是從車輛的運(yùn)行維護(hù)，還是從節(jié)能降耗、提高經(jīng)濟(jì)效益來說，我覺得很有必要。建議在充分調(diào)研，保證安全的前提下，利用較成熟的技術(shù)進(jìn)行可靠性驗(yàn)證和效果評價試驗(yàn)。

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