工程機械高原冷啟動問題技術對策

侯杭州 耿慶州 許東京 黃利康

（江蘇徐工工程機械研究院有限公司，徐州 221004）

良好的冷啟動性能是工程機械正常作業的必要前提。由于高原地區空氣密度小、天氣寒冷以及晝夜溫差大等特殊氣候環境會導致工程機械發動機啟動困難或不能啟動，因此深入研究高原環境對發動機啟動過程的影響機理，提出相關應對策略，對于提高工程機械環境適應性具有重要意義。

1 發動機啟動過程及啟動條件

柴油發動機啟動時，必須靠外界能量轉動曲軸，帶動活塞不斷往復運動，直到氣缸內形成可燃混合氣并著火燃燒，促使發動機自動進行工作循環而正常運轉[1]。目前，常用的啟動方式為電力啟動。它以蓄電池為電源，供電給啟動電機。電機輸出軸上的齒輪與發動機飛輪周緣上的齒嚙合，帶動飛輪旋轉，而飛輪帶動曲軸旋轉啟動發動機。柴油發動機順利啟動的條件包括兩個方面。一方面，蓄電池和啟動電機必須驅動曲軸達到一定的啟動轉速，一般為100 ～200r/mim。另一方面，氣缸內需形成可燃混合氣，且在壓縮終了時，可燃混合氣溫度需達到著火溫度340 ～360℃[2]。

2 高原低溫環境對柴油發動機啟動過程的影響

2.1 啟動阻力增大

啟動時的阻力主要包括各部件運動時的摩擦力，使運動件由靜止狀態加速到某一轉速時的慣性力，驅動機油泵、水泵、燃油油泵等附件所需要的力，以及壓縮氣缸內氣體的力。這些阻力中摩擦阻力的影響最大，而摩擦阻力隨潤滑油的粘度增大而增大，因此溫度低會增大啟動阻力。環境溫度直接影響發動機的啟動性能。

2.2 蓄電池能力降低

隨著環境溫度的下降，蓄電池的內電阻增大，放電能力下降，有效點火次數減少。在低溫大電流放電的情況下，容量及端電壓急劇下降，輸出功率隨之下降，導致啟動馬達達不到所需要的輸入功率，啟動轉速降低，啟動性能下降。另外，溫度過低，蓄電池充電困難，容易造成充電不足，導致蓄電池長期處于不飽和狀態。

2.3 較難達到著火溫度

高原空氣稀薄，在低溫條件下柴油霧化效果差，發動機缸體內散熱快，氣缸的密封性較差。在壓縮終了時，可燃混合氣壓力低且溫度達不到著火溫度，導致發動機難于啟動。

3 柴油發動機冷啟動難的對策

通過以上分析，解決冷啟動問題可通過減少啟動阻力、提高蓄電池低溫性能以及提高進氣溫度、發動機機體溫度、潤滑油溫度及燃油溫度等方案予以解決。

3.1 發動機預熱

采用燃油加熱器對發動機進行預熱，工作原理如圖1所示。燃油加熱器通電后，電磁油泵將燃油輸送到加熱器中點火燃燒，加熱冷卻液。燃燒器中水泵帶動冷卻液在發動機機體內循環，加熱發動機機體及機油。

圖1 燃油加熱器預熱原理

加熱后，發動機氣缸、活塞、各軸承以及機油等溫度升高，潤滑條件改善，降低了啟動阻力，有利于增加啟動轉速，同時有利于提高氣缸的密封性，減少機體散熱量，提高壓縮終了時的溫度與壓力，使發動機易啟動[3]。燃油加熱器驅動功率小，加熱效果好，能夠滿足發動機在-40℃環境下正常啟動的要求[4]。低溫環境下，利用燃油加熱器進行發動機預熱，是目前應用較為廣泛的一種有效冷啟動輔助方案，但存在安裝空間需求大、成本較高等缺點。

3.2 進氣預熱

進氣預熱通過提高吸入空氣的初始溫度來提高發動機冷啟動性能，是解決發動機冷啟動的有效方法之一。目前，發動機多配制電加熱進氣預熱裝置供客戶選擇，原理是在進氣管部位安裝加熱格柵，結構如圖2 所示。加熱格柵是串聯的電阻，通電后格柵被加熱，而發動機吸入的外界冷空氣經過格柵時被加熱[5]。電加熱進氣預熱系統結構簡單，應用廣泛，工作過程中不消耗氧氣，不增加排放，缺點是使用時需要消耗蓄電池電能。溫度過低時，長時間使用造成蓄電池虧電不利于發動機啟動。一般發動機在環境溫度低于-12℃時要求增加進氣預熱輔助啟動裝置，而更低是我環境溫度需要與其他冷啟動措施組合使用。

圖2 電加熱進氣預熱系統主要組成

3.3 燃油系統預熱及保溫

燃油系統根據使用環境采用對應標號的柴油。為解決柴油發動機冷啟動問題，可對燃油系統管路系統進行保溫處理，常用的方法是使用保溫材料包裹進回油箱的管路，同時可對燃油進行加熱。一種是利用燃油加熱器預熱系統將冷卻液加熱后通過燃油箱對燃油進行循環加熱。該方法利用加熱后的冷卻液對油箱中的燃油進行加熱，加熱效果顯著，耗電量低，但結構復雜，容易出現冷卻液泄露問題。另一種是電加熱系統，包括電加熱吸油桿、電加熱油管以及帶電加熱油水分離器等。該系統消耗電量大，實際運用時可采用獨立蓄電池進行供電。目前，使用較多的是使用帶有電加熱裝置的油水分離器進行局部輔助預熱[6]。

3.4 高性能蓄電池及蓄電池保溫

低溫環境下蓄電池容量比常溫時的電容量低很多。經測算，環境溫度每上升或下降1℃，蓄電池容量上升或下降0.8%。因此，為了適應極限溫度-40℃時的低溫啟動，設計選型時建議將蓄電池容量比常溫時放大30 ～50%，采用低溫性能好、結構形式與普通啟動型不同的卷繞式鉛酸蓄電池。此類蓄電池低溫時無液態酸冰凍現象，可以在-40℃環境條件下正常工作。

同時，蓄電池保溫也是一種提升低溫環境蓄電池性能的較好方法。蓄電池保溫箱的基本原理是利用燃油加熱器預熱系統將加熱的冷卻液引出一支路進入加熱管來加熱蓄電池，并通過保溫箱體的保溫功能對加熱的蓄電池進行保溫，使蓄電池輸出功率滿足啟動系統的需要[3]。

3.5 乙醚助燃啟動

乙醚助燃啟動是通過在空氣中加入燃點更低的啟動液降低混合氣體著火溫度來解決發動機冷啟動問題的一種有效方法。使用時向進氣管內噴入燃點低的乙醚，在乙醚空氣混合氣進入燃燒室被壓縮后，由于乙醚著火溫度低（如在3.2MPa 的壓力下，柴油的著火溫度為177 ～207℃，乙醚的著火溫度為57℃），乙醚先燃燒帶動發動機啟動[6]。需要注意，已經采用進氣預熱輔助啟動裝置的發動機禁止使用乙醚助燃啟動，因為乙醚混合氣體經過高溫加熱格柵或預熱塞時容易發生爆炸。

4 結語

高原環境空氣稀薄、溫度低是影響發動機啟動過程的主要因素。氣溫低導致蓄電池能力下降、啟動阻力增加，發動機啟動轉速降低。啟動轉速低、空氣稀薄以及氣溫低，使得混合氣體壓縮時間長，發動機機體散熱增多，導致壓縮終了混合氣體壓力和溫度降低，達不到燃油的著火點，影響柴油機正常啟動。目前，主要通過減少發動機啟動阻力和提高蓄電池供電能力來解決冷啟動問題，相關措施主要進氣預熱、發動機預熱、燃油系統預熱、耐低溫型蓄電池及蓄電池保溫等措施。這些措施各有優缺點，可根據具體使用環境、設備自身特點組合使用。高原低溫環境應盡可能不采用電加熱方案，減少蓄電池消耗。一般情況下，使用燃油加熱器預熱系統、耐低溫型蓄電池及蓄電池保溫箱，即可滿足-35℃發動機正常啟動要求。