極寒環(huán)境下柴油機(jī)冷啟動(dòng)多方式預(yù)熱耦合系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究

郭小敏， 劉 彬， 張世富， 姜俊澤， 陳德奇

(1.低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400044； 2.重慶大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院, 重慶 400044；3.陸軍勤務(wù)學(xué)院國(guó)家救災(zāi)應(yīng)急裝備工程技術(shù)研究中心，重慶 401331； 4.陸軍勤務(wù)學(xué)院油料系， 重慶 401331)

柴油機(jī)低溫啟動(dòng)輔助設(shè)施加裝簡(jiǎn)單，且無(wú)需改變柴油機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。因此已成為柴油機(jī)冷啟動(dòng)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)熱點(diǎn)[1]。但當(dāng)前研究大多是針對(duì)單一預(yù)熱方式，而當(dāng)溫度降低到-20 ℃以下的極寒環(huán)境時(shí)，使用單一預(yù)熱方式很難讓柴油機(jī)快速啟動(dòng)，因此有必要對(duì)極寒環(huán)境下多種預(yù)熱方式耦合的啟動(dòng)效果進(jìn)行研究[2]。本文以增強(qiáng)一臺(tái)小型中速渦輪增壓柴油機(jī)在極寒環(huán)境下的啟動(dòng)能力為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了包括進(jìn)氣預(yù)熱、冷卻液預(yù)熱以及蓄電池保溫三個(gè)方面的耦合系統(tǒng)，并研究了三個(gè)子系統(tǒng)耦合對(duì)柴油機(jī)啟動(dòng)能力的影響，以及啟動(dòng)過(guò)程中蓄電池表面的溫度變化規(guī)律。

1 冷啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

本文所研究柴油機(jī)的額定功率為56 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，壓縮比為22，缸徑和沖程分別為105 mm和125 mm，噴油方式為缸內(nèi)直噴。

冷啟動(dòng)預(yù)熱耦合系統(tǒng)的示意圖如圖1所示。首先通過(guò)選擇合適厚度的聚氨酯保溫材料制作僅應(yīng)用于極寒環(huán)境的蓄電池保溫箱，保證蓄電池在保溫箱外部環(huán)境溫度低于-20 ℃時(shí)仍然具備良好的放電能力。其次，因?yàn)檫M(jìn)氣溫度是影響柴油機(jī)低溫啟動(dòng)性能的關(guān)鍵因素[3]，而當(dāng)柴油機(jī)處于-25 ℃以下的環(huán)境中時(shí)，普通的電熱式預(yù)熱器已經(jīng)很難再適用，因此選用-41 ℃仍可正常工作的PTC預(yù)熱器作為進(jìn)氣預(yù)熱裝置[4-5]。本次選用的PTC預(yù)熱器的加熱時(shí)間最長(zhǎng)為5 min，并且有變功率自動(dòng)恒溫的作用，安裝在柴油機(jī)進(jìn)氣管與進(jìn)氣歧管之間。最后，因低溫下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液進(jìn)行加熱也可以有效改善柴油機(jī)的冷啟動(dòng)性能[6]，故選用-41 ℃仍可以正常啟動(dòng)和工作的燃油加熱器(16.3 kW)對(duì)流經(jīng)柴油機(jī)缸套的冷卻液進(jìn)行加熱。

圖1 冷啟動(dòng)耦合示意圖

如圖1所示，在本耦合系統(tǒng)中，蓄電池保溫系統(tǒng)保障蓄電池在寒冷條件下有足夠的放電能力，能為PTC預(yù)熱器、燃油加熱器和啟動(dòng)機(jī)提供電力支持，從而使柴油機(jī)順利啟動(dòng)。

本次冷啟動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)主要包括步入式20 m3高低溫試驗(yàn)艙(測(cè)溫范圍為-60～100 ℃)、Pt100溫度傳感器(測(cè)溫范圍為-50～200 ℃)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及發(fā)動(dòng)機(jī)智慧顯示屏等。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 蓄電池保溫實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)使用鉛酸蓄電池，根據(jù)其電池化學(xué)特性，可以通過(guò)研究低溫下蓄電池表面溫度的變化情況來(lái)體現(xiàn)蓄電池放電能力的變化情況[7-8]。將蓄電池從溫度為18 ℃的艙外環(huán)境放入到厚度為60 mm的聚氨酯保溫箱內(nèi)，并使用聚氨酯泡沫填縫劑對(duì)蓄電池導(dǎo)線周邊的縫隙等進(jìn)行密封處理，分別在-25 ℃和-30 ℃的低溫環(huán)境中靜置8 h以上。

如圖2所示，當(dāng)?shù)蜏嘏搩?nèi)環(huán)境溫度為-25 ℃時(shí)，8 h以內(nèi)保溫層內(nèi)壁溫度即蓄電池所處環(huán)境溫度變化不超過(guò)8 ℃；蓄電池表面溫度變化不超過(guò)5 ℃；此時(shí)，保溫層內(nèi)壁溫度仍保持在10 ℃左右，蓄電池表面溫度保持在15 ℃左右。蓄電池仍然工作在良好的溫度條件下，其放電能力仍然能夠達(dá)到常溫下的80%[9]，能夠滿足實(shí)際工程中停機(jī)8 h的使用要求。

圖2 -25 ℃下蓄電池保溫箱內(nèi)部溫度變化曲線

同樣，當(dāng)?shù)蜏嘏摥h(huán)境溫度為-30 ℃時(shí)，靜置8 h后蓄電池保溫層內(nèi)壁溫度變化不超過(guò)8 ℃，電池表面溫度變化不超過(guò)5 ℃，蓄電池仍然具備良好的放電能力。

可以看到，聚氨酯泡沫材料在低溫環(huán)境中具備良好的保溫性能。當(dāng)環(huán)境溫度為-25～-30 ℃時(shí)，蓄電池在保溫箱內(nèi)的溫度變化較小，其溫度變化速率小于1 ℃/h。而且聚氨酯泡沫材料價(jià)格低廉易于獲取，能夠?qū)崿F(xiàn)工程實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性的平衡。

2.2 冷啟動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)

在-25 ℃的環(huán)境狀態(tài)中，待冷卻液溫度降低到與環(huán)境溫度一致時(shí)，通過(guò)在保溫箱中的蓄電池為低溫預(yù)熱系統(tǒng)和啟動(dòng)機(jī)提供電力支持，研究4種操作條件下的柴油機(jī)冷啟動(dòng)情況。

在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中，不加裝任何低溫預(yù)熱系統(tǒng)時(shí)，柴油機(jī)完全無(wú)法啟動(dòng)。然后保持冷卻液溫度為-25 ℃，采用單一的PTC進(jìn)氣預(yù)熱方式，將PTC進(jìn)氣預(yù)熱器加熱最長(zhǎng)時(shí)間5 min后柴油機(jī)仍然無(wú)法啟動(dòng)。采用單一的冷卻液燃油加熱器預(yù)熱系統(tǒng)，需要將冷卻液加熱到40 ℃后柴油機(jī)才能啟動(dòng)，加熱耗時(shí)在20 min以上。

為了減少啟動(dòng)需要的時(shí)間，將PTC進(jìn)氣預(yù)熱與燃油加熱器冷卻液預(yù)熱二者耦合，如圖3所示。圖3中的縱坐標(biāo)表示使用PTC進(jìn)氣預(yù)熱器的加熱時(shí)間，橫坐標(biāo)表示使用燃油加熱器加熱后的缸套內(nèi)冷卻液溫度。其中點(diǎn)1表示當(dāng)缸套內(nèi)冷卻液被燃油器加熱至10 ℃，且同時(shí)用PTC進(jìn)氣預(yù)熱4 min時(shí)柴油機(jī)成功啟動(dòng)；點(diǎn)2表示當(dāng)缸套內(nèi)冷卻液溫度被燃油器加熱至20 ℃，且同時(shí)用PTC進(jìn)氣預(yù)熱2 min時(shí)柴油機(jī)成功啟動(dòng)；其余耦合加熱組合均未能成功啟動(dòng)。

圖3 -25 ℃環(huán)境下燃油加熱器加熱后的柴油機(jī)冷啟動(dòng)情況

在預(yù)熱過(guò)程中，1 min PTC和燃油器單獨(dú)加熱耗能分別為0.016 kW和0.27 kW，PTC耗能遠(yuǎn)小于燃油器。而1、2、3點(diǎn)使用燃油器加熱冷卻液到既定溫度10 ℃、20 ℃、40 ℃所需時(shí)間分別為8 min、10 min、20 min，均大于PTC最大加熱時(shí)間5 min。即在啟動(dòng)成功的1、2、3點(diǎn)中，1點(diǎn)所用的時(shí)間最短、總能耗也最小，所以1點(diǎn)為最優(yōu)點(diǎn)。

同樣，研究在-30 ℃的環(huán)境狀態(tài)中的情況。前面幾種情況與-25 ℃環(huán)境完全相同；而將兩種預(yù)熱方式耦合同時(shí)加熱后，則只需要冷卻液用燃油加熱器加熱8 min，PTC進(jìn)氣預(yù)熱器加熱5 min，就能成功啟動(dòng)。

采用PTC進(jìn)氣預(yù)熱與燃油加熱器預(yù)熱耦合可以有效提升柴油機(jī)冷啟動(dòng)性能，本實(shí)驗(yàn)中通過(guò)比較燃油加熱器加熱冷卻液到既定溫度所需時(shí)間(下稱t1)與PTC進(jìn)氣加熱時(shí)間(下稱t2)來(lái)建立冷啟動(dòng)控制策略。若t1>t2，則先對(duì)冷卻液加熱一段時(shí)長(zhǎng)t3，待t1-t3=t2時(shí)啟動(dòng)PTC進(jìn)氣預(yù)熱器進(jìn)行耦合加熱；若t1

3 結(jié) 論

當(dāng)環(huán)境溫度為 -25～-30 ℃ 時(shí)，實(shí)驗(yàn)所用的60 mm保溫箱具有良好的保溫效果； 燃油加熱器相比PTC進(jìn)氣預(yù)熱器在低溫下具有更明顯的作用；發(fā)揮兩種預(yù)熱方式的耦合作用相比單一預(yù)熱方式能夠明顯優(yōu)化柴油機(jī)的啟動(dòng)能力。