裝載機用柴油機低溫起動研究

朱松杰，宣飛龍

(一拖(洛陽)柴油機有限公司，河南洛陽 471039)

0 引言

裝載機是一種具有較高作業效率的工程機械。主要用于對松散的堆積物料進行鏟、裝、運、挖等作業，也可以用來整理、刮平場地以及進行牽引作業；換裝相應的工作裝置后，還可以進行挖土、起重以及裝卸物料等作業。廣泛應用于城建、礦山、鐵路、公路、水電、油田、國防以及機場建設等工程施工中，對加速工程進度、保證工程質量、改善勞動條件、提高工作效率以及降低施工成本等都具有極為重要的作用。

隨著經濟的發展，國家基建的增速很快，裝載機作為一種用途極為廣泛的工程機械，在基建項目中承擔著重要的角色。裝載機作業環境惡劣，作業工況復雜，即使在寒冷的冬季，作為施工機械、除雪機械、救援機械也經常得以應用。因此研究裝載機在低溫環境下的起動情況是十分必要的，而進氣預熱和冷卻液預熱作為常用的預熱方式對提高柴油機的低溫起動性能有顯著的幫助。

1 技術路線

進氣預熱器和循環冷卻液預熱器是柴油機常用的低溫起動輔助裝備，二者主要用于提高初始進氣溫度，有利于燃油的蒸發與霧化，滿足壓縮終了的缸內溫度，從而保證柴油機的順利起動。

本研究對50裝載機配套的某6X高壓共軌柴油機分別采用進氣預熱和冷卻液預熱后的低溫起動性能進行了應用研究。通過對柴油機預熱器進行理論計算、參數設計、性能測試及優化等，有效地提高了柴油機在低溫環境下的起動性能。

1.1 進氣預熱器原理

格柵式進氣預熱器及其工作原理圖如圖1和圖2所示。

圖1 格柵進氣預熱器示意圖

高壓共軌機型的進氣預熱器工作原理是傳感器將采集到的冷卻液溫度、著火信號、ST等信號傳輸到ECU(engine control unit)，ECU根據邏輯判斷是否需要開啟進氣預熱系統。圖2為進氣預熱系統的工作原理。

圖2 高壓共軌機型進氣預熱器線路示意圖

1.2 柴油機起動理論所需加熱量計算

柴油機進氣所需加熱量的理論計算如下：

1)壓縮始點溫度

(1)[1]

式中，T0為壓縮始點溫度，單位：K；T1為壓縮終點溫度，單位：K；n1為平均多變壓縮指數，增壓柴油機n1=1.35～1.37[1]；εc為有效壓縮比。

2)進氣系統溫度

Td=273.15+k(T0-273.15)

(1)[2]

式中，Td為進氣系統溫度，單位：K；k為熱利用指數，一般取經驗值1.5～2。

3)柴油機進氣量

(3)[3]

式中，m1為柴油機進氣量，單位為kg；φc為充量系數，一般取φc=0.75；pd為氣缸進氣壓力，單位為kPa；Vs為氣缸工作容積，單位為L；i為氣缸數；n為轉速，單位為r/min；R為空氣氣體常數，R=8.314 5 J/(mol·K)；δs為柴油機掃氣系數，取δs=1，起動時增壓器不工作；t為起動時間，單位為s。

4)柴油機起動所需加熱量

Q=Cpm1(Td-Ta)

(4)[4]

式中，Q為起動所需加熱量，單位：kJ；Cp為定壓比熱容，溫度為-10℃～20℃時，Cp=1.009 kJ/(kg·K)，溫度為-21℃～-50℃時Cp=1.013 kJ/(kg·K)；Ta為環境溫度，單位：K。

根據公式(1)～(4)，計算出不同環境溫度下的進氣所需的加熱量，如表1所示。

表1 不同環境溫度下6X柴油機起動時所需進氣加熱量

從表中可以看出，隨著溫度的下降，進氣所需的熱量升高。

1.3 進氣預熱器選配

根據理論計算分析，選型PTC格柵式進氣預熱器進行匹配，設計工作參數為：2 kW/24 V/83 A。

格柵式預熱器屬于純電阻發熱，因此可根據不同溫度下的預熱時間，按下式(5)計算其發熱量：

Q=Pt

(5)

式中，Q為發熱量，單位：kJ；P為預熱器功率，單位：kW；t為預熱時間，單位：s。計算結果如表2所示。

表2 不同環境溫度下預熱器實際放熱量

從表2的數據可知，預熱器放熱量余量較大，能夠滿足50裝載機用6X柴油機低溫起動時所需要的進氣加熱量。而在實際低溫環境下，當柴油機起動時，由于作業環境較為空曠，低溫環境所蘊含的熱容量很大，實際預熱產生的熱量并沒有全部用來加熱空氣，會有部分熱量傳遞給進氣系統各零部件。此外，由于低溫環境下蓄電池的持續拖動能力有限，需要柴油機在幾秒內起動成功，所以需要預熱器的放熱量盡可能全部用來加熱空氣介質。以上理論設計的預熱器需要經過設計的低溫起動試驗來驗證。

2 起動試驗

2.1 進氣預熱器低溫起動試驗

分別在0℃/-10℃/-20℃/-25℃環境下，進行預熱器低溫起動試驗，試驗結果如表3所示。

表3 不同環境溫度下柴油機起動情況

圖3試驗結果為-20℃環境下，50裝載機使用2 kW預熱器，預熱時間30 s左右，拖動3.6 s，一次起動成功。圖4試驗結果為-30℃環境下，50裝載機使用2 kW預熱器，預熱時間40 s左右，拖動7 s，無法自行穩定運轉，起動失敗。

圖3 起動成功

圖4 起動失敗

根據上述分析和低溫起動試驗結果，在-30℃及更低環境下，起動50裝載機用柴油機時，需要進一步提高進氣系統的加熱量。低溫起動時，溫度越低，摩擦阻力越大，所需要的蓄電池放電電流越大。進氣預熱器需要蓄電池放電進行加熱，提高預熱時間或放電電流，會降低蓄電池在后續起動過程中的放電能力，導致拖動轉速過低，柴油機難以起動。

因此，針對-30℃及更低環境下的裝載機用柴油機的起動，可以采用冷卻液預熱來間接加熱進氣充量。柴油機缸體內的冷卻液被加熱后，通過缸套加熱缸內的進氣充量和混合氣，從而提高柴油機壓縮終點的溫度，使柴油機順利啟動。

2.2 冷卻液預熱裝置試驗

本研究中采用了目前市面上常用的220 V/3 kW的冷卻液預熱裝置，預熱溫度報警值設定為25℃，當缸體內的冷卻液溫度超過此值時，溫控開關斷電；當缸體內的冷卻液溫度低于20℃時，重新開始預熱。本研究針對6X系列柴油機配套的50裝載機，在東北黑河進行了冷卻液加熱試驗。實地環境下冷卻液預熱的溫升數據和曲線見表4和圖5。

表4 冷卻液預熱溫升數據

圖5 -25℃和-33℃環境下冷卻液溫升曲線

由于冷卻液的熱容量相對較大，此處進氣終點溫度取近似等同于加熱后的冷卻液溫度。采用冷卻液預熱后，在-33℃環境下，加熱時間為40 min時，冷卻液溫度提高到22℃，明顯有利于低溫起動。

在-33℃環境下，使用冷卻液預熱系統，在黑河試驗基地，對某公司50裝載機進行了低溫起動試驗。起動試驗情況見表5。

表5 冷卻液預熱低溫起動試驗驗證

3 結論

通過以上起動試驗結果分析可以得出以下結論：

(1)當環境溫度在-25℃以上時，50裝載機用柴油機采用進氣預熱配置，可以滿足低溫環境下順利起動的需求。市場上常用的進氣預熱價格在70～200元，安裝方便，成本較低。

(2)當環境溫度為-35℃～-25℃時，50裝載機用柴油機采用冷卻液預熱配置，可以滿足在溫度更低的環境下順利起動的性能要求，起動效果較好。目前市場上銷售的成套冷卻液預熱裝置價格約在100～150元/套，安裝簡單，價格適中。