殷浩 梅映新 高水華

（中國船舶重工集團公司第七一二研究所，武漢 430064）

0 引言

隨著我國南極探索的發展，越來越多柴油發電機組在此極端環境下，作為工作人員的動力應用、照明，取暖等生活保障的必備電源。其中，柴油機在高原寒冷地區的使用特性成為一個值得關注的問題。隨著海拔高度的上升，大氣壓力的下降，溫度的極限下降，柴油機的啟動條件極其苛刻。本文研究了多種在南極高海拔低溫環境啟動措施及實施，以確保能順利地啟動柴油機。

1 南極環境及其對發電機組的影響

2.1 南極環境

海拔高度： 4087 m

年平均溫度： -58.4℃

夏季：平均溫度： -36.5℃

最高溫度： -25.5℃

最低溫度： -46.5℃

氣壓：57660Pa

冬季：極端溫度： -90℃

電源：無外部電源

2.2 南極環境對柴油機啟動的影響

（1）缺氧的影響

南極海拔4087 m地區空氣中的氧含量很低，導致柴油不能完全充分燃燒，啟動時燃燒動力不足。

（2）氣壓不足的影響

南極海拔4087 m地區空氣中大氣壓力僅有57660Pa，比標準大氣壓低多了，

（3）外界溫度的影響

南極寒冷環境下，柴油機不容易發動，由于機體溫度過低，散熱快，柴油機啟動時曲軸轉速低，加之吸入的空氣溫度過低，造成壓縮行程終了時汽缸內溫度和壓力過低，一方面達不到燃油的自燃發火溫度，另一面燃油的霧化不好，都導致柴油不易爆發燃燒，啟動時燃燒動力不穩定，也不足。一般柴油機要求壓縮后汽缸內溫度達到400℃以上，最低不能低于350℃。

（4）潤滑油的影響

潤滑油的粘度在低溫下大大增加，甚至凝固，使發動機啟動轉動扭矩阻力增大，啟動所需要的功率也增大，導致達不到使發動機啟動所需的最低轉速（一般在100 rpm以上）。

（5）啟動電池的影響

南極低溫環境會使蓄電池的容量和端電壓下降。由于蓄電池的最佳工作溫度在10～40℃范圍，溫度降低時，電解液黏度增大，電阻增加。隔板的電阻主要由它的滲透性決定， 在溫度降低時，隔板孔隙縮小，滲透速度降低，電解液通過困難，電阻增大。蓄電池的內阻增大， 因此會使端電壓隨溫度的降低而下降，由于電解液黏度大，離子擴散的速度降低，電化學反應減慢，滲入極板內層就困難， 放電時極板內層的活性物質不能被充分利用，實際的輸出容量減小。一般情況下， 溫度降低1℃， 緩慢放電時， 容量約減小1%，迅速放電時約減小2%。可見低溫對蓄電池的容量和端電壓有很大影響，直接關系到啟動機的啟動轉矩，影響柴油機的啟動轉速。

2 高海拔低溫啟動應具備的條件

當氣溫在-10°C以下時，柴油機冷啟動就有一定困難；當氣溫降至-40°C以下時，不采取一些低溫啟動措施，則根本無法啟動。柴油機在南極低溫啟動的必要條件如下：

（1）必須達到一定的啟動轉速

柴油機的啟動轉速一般大于100 r/min，其低溫啟動主要受啟動阻力的影響，啟動時曲軸的旋轉阻力包括：汽缸內壓縮空氣的反作用力、運動部位的慣性力、各摩擦處的摩擦阻力等。

（2）汽缸內混合氣達到足夠的壓力

柴油機的壓縮比很高，一般通用機型的壓縮比為14～22左右。壓縮沖程完成時，燃燒室內混合氣的壓力應有3～5 MPa。

（3）汽缸內混合氣應有足夠的溫度

壓縮沖程完成時，汽缸內的混合氣應具備足夠的溫度。一般柴油機要求壓縮沖程王城時，汽缸內的溫度應達到400°C以上。

（4）壓縮空氣中氧氣含量應達標

必須有足夠多的空氣進入汽缸，應使壓縮空氣中含氧氣濃度足夠，汽缸內形成混合氣后才可充分燃燒。

3 高海拔低溫啟動的技術措施

（1）采用低溫專用蓄電池

此類蓄電池優點：采用單元卷繞技術，其極板之間的間隙非常小；采用固態酸，且能被玻璃纖維網所吸附；結構緊密，極板面積遠高于普通平板式蓄電池的面積；低溫時，無液態酸冰凍現象，可在-40°C南極環境條件下正常工作；冷啟動功率、充電速度等指標比普通蓄電池具有明顯優勢。

（2）加強對低溫型蓄電池的維護保養

在南極使用低溫型蓄電池時，應采取一些技術措施，保證蓄電池低溫條件下具有保溫措施且具有足夠的電流輸出，從而提高柴油機低溫啟動性能，延長蓄電池的使用壽命。

對蓄電池進行保溫方法之一：是制作一個適當的特制保溫箱。

箱內填裝保溫材料，將蓄電池穩固地置放于箱中，這樣可降低放電功率，增加蓄電池的蓄電能力。

對蓄電池進行保溫方法之二：蓄電池自保溫加熱方式。

由于南極使用條件中，沒有外部電源，可使用非啟動用蓄電池對啟動蓄電池加熱，有效保持啟動蓄電池的溫度，保障其啟動時的溫度環境與放電能力。

（3）選用低溫性能好的機油

這類機油低溫時黏度小，啟動時各摩擦處潤滑好，啟動阻力小。單級機油使用溫度范圍較窄，多級機油可以在較寬的溫度范圍內工作，一般可選黏度等級“長城”0 W/30 CF-4機油[1]。在南極地區，還應使用專門的抗凍機油。

（4）選用質量可靠的防凍液

在條件允許的情況下，柴油機冷卻液盡量采用質量可靠的防凍液，防凍液的冰點應比環境最低溫度-36.5℃低5°C左右。

4 高海拔低溫啟動的具體方法

（1）采用現場室內加熱裝置

機組啟動之前，現場內陸站的暖風設備預熱室內環境至-35-0℃之間。

（2）采用保溫箱式

柴油發電機組單機是置于保溫箱內，并做好固定，可整體起吊，箱壁內置保溫材料。保溫箱箱內分割為空間1、空間2。空間1內放置柴油發電機組單機1臺；獨立油箱1套；啟動和加熱電源蓄電池柜；低壓控制箱各1套，啟動前暖風加熱器加熱升高空間1溫度到達-35- 0℃之間。空間2為觀察機組運行狀況和為空間1提供空氣交換通道使用，同時采用各種先進的進氣、換氣、保溫綜合技術等。

（3）采用低溫免維護電池和兩種供電方式

發電機組采用低溫免維護起動電池。

電池組分為2套：一套非啟動用電池組在啟動前供燃油加熱器，機油加熱器、電池自保溫的加熱等，另一套為機組啟動電池組，單塊為75 Ah，12VDC的低溫型電池在啟動時，放電電流為600 A，單塊電池電壓在1 s內由13 V瞬間降到8 V。所以使用4塊蓄電池串并聯，組成DC24 V的電池組，在極低溫度下，由于此免維護蓄電池自身高倍率的放電特點，可保證在啟動瞬間提供超強的電流給啟動發達，以達到較高啟動率的效果。

（4）采用雙啟動馬達

采用雙馬達結構啟動方法，即在發動機盤車或者備用馬達接口增加一組啟動馬達，可提高馬達的扭矩，從而提高發動機飛輪的扭矩，增強發動機啟動的輸入動力，保障了發動機四沖程的運行，提高啟動效率。

（5）采用全程加熱燃油系統方案：

室內設置一個1000 L日用油箱，裝有油閥，通過管路連接到3臺發電機組的獨立油箱（同時其他管路到鍋爐），此時燃油加熱器加熱獨立油箱中燃油，燃油經過帶加熱裝置的濾清器，多種加熱方式并行保證燃油的可靠霧化燃燒。

（6）采用航空煤油與柴油混合方案：

為確保機組低溫時迅速啟動，首次啟動時可采用-40號軍用柴油和航空煤油混合供油，降低燃燒點，啟動成功后轉供航空煤油或柴油連續運行。

（7）采用強制循環式燃油加熱器

這是近幾年新采用的低溫輔助啟動方式，這種低溫啟動方式是通過燃油加熱器。附帶的水泵將發動機機體內的冷卻液抽出，通過燃油加熱器將其加熱后再循環至發動機機體內，以此加熱發動機，達到低溫條件下啟動發動機的目的。

這種低溫啟動方式的整個加熱過程需30-40 min，能將發動機機體溫度加熱到0-50℃左右，此時發動機的機油也得以加熱，機油的粘度降低，發動機在低溫條件下的潤滑條件改善，使發動機順利啟動。這種低溫啟動方式優點明顯，使發動機在低溫寒冷條件下的啟動性能大大提高。

（8）在進氣管內安裝螺旋式電阻加熱器

這種裝置由蓄電池供電，啟動前接通電源10～30 s使螺旋式電阻器發熱，來加熱進入汽缸的空氣，提高柴油機在壓縮完成時汽缸內的氣體溫度。

（9）采用渦輪增壓器

由于南極大氣壓力低，氧氣稀薄，因此更需要增加渦輪增壓器，它能通過壓縮更多的空氣進入汽缸來增加氧氣量，從而提高燃燒做功能力，提高啟動動力。

（10）適當調整噴油提前角

由于南極海拔高，氣壓低，氧氣稀薄，發動機燃燒爆發壓力低，適當提前噴油提前角，可以使燃油在活塞距離到達壓縮止點最近時點燃，此時燃燒爆發壓力最大，推動活塞做功效果最好，能提高發動機啟動動力[2]。

（11）在油底殼安裝螺旋式電阻器

該電阻器可加熱油底殼的機油，降低機油黏度，減小啟動阻力。應用此種方法時，應控制加熱時間，避免因加熱時間過長，機油溫度過高，而導致機油老化變質。

（12）采用火焰預熱裝置啟動

火焰預熱裝置由電子控制器、電磁閥、溫度傳感器、火焰預熱塞（安裝在進氣管內）、燃油管及導線組成。該裝置的最低工作溫度為-40°，其工作過程是：啟動前接通火焰預熱塞，十幾秒鐘后，火焰預熱塞被加熱到900°C(該溫度足以點燃柴油)接通啟動機，電磁閥自動打開油路，輸油泵泵出柴油，通過燃油管經電磁閥向火焰預熱塞供油，進行火焰預熱啟動。

（13）采用低溫啟動液輔助啟動

此方法是在啟動前，向柴油機進氣歧管中噴入一定比例的低溫啟動液。低溫啟動液中的乙醚燃點低，在3.25 MPa壓力下乙醚的燃點僅為57°C左右，所以柴油機不須達到最低啟動轉速的要求，就能點火啟動。實踐證明，使用低溫啟動液，可以保證柴油機在氣溫為-45°C時迅速啟動。

5 高海拔低溫啟動注意事項

（1）控制啟動時間

在低溫啟動時，啟動機連續帶動柴油機轉動一般不能超過10 s；

連續3次啟動，啟動間隔15 s，還不能點火時，應暫停2～3 min后再啟動。若再啟動2～3次仍不能點火時，則應檢查油路管道中有無空氣或堵塞，以及空氣濾清器是否堵塞。若一直不停地啟動，會使蓄電池過度放電，將造成極板老化。

（2）多種啟動方法應使用合理

為達到最佳啟動效果，前述幾種啟動方法往往同時使用。但是低溫啟動液輔助啟動與進氣火焰預熱、低溫啟動液輔助啟動與進氣螺旋電阻加熱不能同時使用，否則火焰將點燃啟動液混合氣而發生爆炸，引起嚴重后果。

（3）使用低溫啟動液應注意安全

啟動液的成分主要是乙醚，易揮發，使發動機低溫順利啟動，有效防止因天氣寒冷潮濕或氣缸壓力不足而過多損耗電瓶、馬達及點火開關。在嚴寒低溫下可以縮短發動機啟動間，延長蓄電池使用壽命。壞處是噴入量不宜過多，否則會造成敲缸，工作粗暴損壞活塞環。不準將低溫啟動液加入油箱中，以免產生氣阻。

（4）使用燃油加熱器應正確選油

采用外置強制循環式燃油加熱器時，不能使用汽油作燃料，應根據機器使用的環境溫度，選用適當牌號的輕柴油（或煤油）。當與柴油機使用相同牌號柴油時，應保證在使用環境溫度下，柴油不結冰、不結蠟，防止供油回路堵塞。

（5）啟動后應低速運轉并查尾氣

柴油機啟動后的最初一段時間內，切忌加大油門高速運轉或帶較大負荷運行，否則極易造成拉缸、燒軸、抱瓦等事故。

柴油機啟動后，應怠速運轉5～10 min，然后逐漸運轉“暖機”。當冷卻液的溫度達到60°C以上時，檢查儀表板上的機油壓力、水溫，以及指示燈是否正常，特別是機油壓力應在0.15～0.50 MPa范圍內。在柴油機沒有任何異響、正常運轉的情況下，逐漸增加負荷進行作業。

一般冷啟動時，排氣管會冒一陣白煙，隨著柴油機溫度的升高，白煙應逐漸消失。

（6）噴油提前角調整要適當[3]

噴油提前角過大，燃燒開始得太早，氣缸壓力升高率過大，柴油機噪聲增大，工作粗暴；反之，噴油提前角過小，燃燒滯后并延伸到膨脹過程中進行，柴油機燃燒效率下降，未燃碳氫化合物（HC）與煙度增加。

6 實際應用

武漢712所根據南極考察隊的要求，設計開發了南極發電機組GS150D，此機組柴油機用道依茨BF8L513C機型，在此基礎上應用了多種高海拔低溫啟動方法，最終確保發動機的順利啟動；并帶動負載運行的特殊功能，大大地拓寬了我所柴油發電機組應用市場。

7 結束語

該機組從設計、采購、試驗僅僅歷時3個月，其中南極高海拔低溫啟動為關鍵技術之一。在應用中，從加熱、預熱到啟動，只需要按動按鈕，操作簡單，使用方便，啟動可靠性高。機組在-36.5℃時，經30 min預熱后一次啟動成功率90%，并在10 min內帶動規定負載。可驗證上述措施，方法可靠性高，應用價值高，完全解決了南極高海拔柴油機低溫啟動問題。

[1]戴輔民, 孫樹仁. 東風柴油機的低溫啟動性能與低溫用發動機油. 中國汽車工程學會燃料與潤滑油分會第十一屆年會論文集, 140-145.

[2]商海昆, 內燃機, 重慶：機械工業第三設計研究院內燃機雜志社. 2009,（1）

[3]吳昊旻等, 噴油壓力優化調整的探討, 農機使用與維修, 2006,(2).