柴油發(fā)動機(jī)高原地區(qū)冷啟動方案研究

摘要：工程機(jī)械產(chǎn)品在高原高海拔地區(qū)使用，面臨每天初次啟動困難的問題。針對于此，介紹幾種輔助啟動方式，其中既有傳統(tǒng)預(yù)熱輔助啟動，也有新型液壓驅(qū)動輔助啟動。這幾種方式在實(shí)際使用效果、可靠性、操作難度和經(jīng)濟(jì)成本方面，都有差別。主機(jī)廠和設(shè)備所有者可根據(jù)實(shí)際情況，采用更合適的高原高海拔輔助啟動方式。

關(guān)鍵詞：柴油發(fā)動機(jī);高原冷啟動;預(yù)熱;離合器分動箱;冷啟動閥

0" "引言

隨著祖國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展，全國各地的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入越來越大，加之民生改善需求和國防建設(shè)的需要，地理位置特殊的西藏地區(qū)基建工程日趨增多。西部高原高海拔地區(qū)平均海拔高度在4000m以上，工程機(jī)械在此地區(qū)施工必然要面臨缺氧和低溫等工況。

工程機(jī)械大多配備柴油發(fā)動機(jī)，常在野外施工作業(yè)且很多時候需要連續(xù)施工。此時將面臨一個尷尬的問題就是每天早上的啟動問題。在高原高海拔地區(qū)，空氣缺氧，加之高海拔地區(qū)晝夜溫差大，每天清晨溫度偏低。由于燃料黏度增加而不利于燃油的霧化與燃燒，潤滑油流動性變差，使各運(yùn)動零部件阻力增大，再加上蓄電池工作性能降低等因素的影響，極易導(dǎo)致發(fā)動機(jī)啟動困難、機(jī)件磨損加劇、功率降低、燃料消耗增加和動力性能下降等問題。

雖然發(fā)動機(jī)廠家，通過調(diào)整發(fā)動機(jī)電腦啟動過程噴油比例參數(shù)，將噴油量優(yōu)化，起到了一定輔助作用，但由于柴油機(jī)系統(tǒng)還掛裝了液壓或其他機(jī)械系統(tǒng)，導(dǎo)致這種輔助作用十分有限，柴油機(jī)啟動依然存在很大困難。

1" "傳統(tǒng)輔助預(yù)熱法

傳統(tǒng)輔助預(yù)熱法是指發(fā)動機(jī)自帶預(yù)熱功能，一般是給進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)熱。高原高海拔地區(qū)缺氧，加之溫度較低，光單靠這種單一方式，柴油發(fā)動機(jī)肯定無法正常啟動。

此時需要將發(fā)動機(jī)的機(jī)油和冷卻液進(jìn)行加熱，通過外置揮發(fā)霧化燃油液體加熱器，采用燃燒換熱方式加熱，將發(fā)動機(jī)中的機(jī)油和防凍液分別通過加熱器中的循環(huán)泵，從柴油發(fā)動機(jī)內(nèi)抽出先行加熱。加熱到一定溫度后，再對柴油發(fā)動機(jī)進(jìn)行啟動，甚至有的設(shè)備將液壓油也進(jìn)行加熱。

該方法有效，但加熱器都是電源驅(qū)動，大都使用柴油機(jī)自帶蓄電池電源，功率受到限制，且由于低溫造成蓄電池本身蓄電能力受損下降，因此不能長時間使用。該方法整個加熱過程需要30～40min，能將柴油發(fā)動機(jī)機(jī)體溫度加熱到40～50℃左右，不僅增加了每天設(shè)備啟動的工作量，也給設(shè)備操作人員增加了勞動強(qiáng)度。發(fā)動機(jī)低溫預(yù)熱原理如圖1所示。柴油發(fā)動機(jī)冷卻液加熱系統(tǒng)實(shí)物安裝如圖2所示。

2" "減小液壓系統(tǒng)負(fù)載輔助啟動法

2.1" "方法概述

對于全液壓驅(qū)動的工程機(jī)械設(shè)備，發(fā)動機(jī)通過分動箱將動力傳遞到多個動力輸出口，每個動力輸出口安裝2～3臺液壓油泵，液壓泵數(shù)量多，液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，從而造成低溫環(huán)境液壓系統(tǒng)啟動負(fù)載偏大。

工程機(jī)械柴油發(fā)動機(jī)啟動過程中的外部負(fù)載阻力，基本來自發(fā)動機(jī)經(jīng)過分動箱連接的液壓系統(tǒng)工作泵。由于液壓系統(tǒng)中采用閉式回路較多，閉式回路中閉式泵一般都集成補(bǔ)油泵。補(bǔ)油泵為定量泵，工作狀態(tài)下補(bǔ)油泵出口的液壓油一部分進(jìn)入式系統(tǒng)，作為系統(tǒng)泄露的補(bǔ)充。另一部分液壓油通過補(bǔ)油泵出口的溢流閥，進(jìn)入主泵殼體回到油箱，溢流閥的壓力一般設(shè)定在1.8～3MPa左右。

工程機(jī)械在寒冷環(huán)境下發(fā)動機(jī)的啟動功率增大，啟動困難，其中液壓系統(tǒng)中增加的啟動負(fù)載功率，主要來源于閉式系統(tǒng)中補(bǔ)油泵的溢流損失。本文提出一種在低溫環(huán)境下柴油發(fā)動機(jī)啟動過程中，降低工程機(jī)械液壓系統(tǒng)啟動負(fù)載功率的技術(shù)。

2.2" "液壓系統(tǒng)設(shè)計

工程機(jī)械液壓系統(tǒng)中，各閉式回路中補(bǔ)油泵的出口旁通一個單向閥，各單向閥出口連接在匯流閥塊上，匯流閥塊集成有一個常閉二通電磁換向閥，電磁二通閥的出口接回油箱。在柴油發(fā)動機(jī)啟動過程中，電磁閥得電，閉式系統(tǒng)中的補(bǔ)油泵出口的液壓油，通過旁通單向閥進(jìn)入?yún)R流塊，并通過電磁二通閥后進(jìn)入液壓油箱，由此降低了液壓啟動負(fù)載。匯流閥塊原理如圖3所示。

上述液壓冷啟動閥方案在柴油機(jī)啟動時，可以大幅降低啟動裝置的負(fù)載。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)原理簡單，經(jīng)濟(jì)成本較低。缺點(diǎn)是無法實(shí)現(xiàn)自動控制，并且沒有相關(guān)自檢測功能。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時排除起來比較麻煩，操作不當(dāng)容易造成工程機(jī)械設(shè)備其他功能異常。

3" "帶離合器分動箱輔助啟動法

3.1" "方法概述

相對上述液壓冷啟動閥方案，分動箱帶離合器方案成本有所增加，但能將柴油發(fā)動機(jī)啟動過程中的負(fù)載阻力全部排除，高海拔低溫啟動性能更佳。

該方案是在柴油發(fā)動機(jī)啟動時，通過離合器齒輪脫扣動作，將柴油發(fā)動機(jī)與后面聯(lián)結(jié)的液壓系統(tǒng)全部脫開。這樣就只剩下柴油發(fā)動機(jī)本身的啟動，啟動負(fù)載小了很多，只需根據(jù)實(shí)際情況，調(diào)整好發(fā)動機(jī)在啟動各階段的柴油噴油比例。再同時開啟發(fā)動機(jī)自帶進(jìn)氣預(yù)熱功能，即可在高原高海拔且低溫環(huán)境中實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)快速啟動。

柴油發(fā)動機(jī)啟動后，通過發(fā)動機(jī)取力口安裝的液壓泵提供壓力油，再結(jié)合液壓離合器分動箱，大幅縮短了啟動時間，使工程機(jī)械設(shè)備很快達(dá)到正常工作狀態(tài)。

3.2" "定制分動箱

本方案中用到的分動箱為定制款，其結(jié)構(gòu)必須足夠可靠，柴油發(fā)動機(jī)的每次啟動和停機(jī)都要求實(shí)現(xiàn)至少一輪分動箱齒輪的接合與脫開過程。由電控系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制離合器電磁閥，實(shí)現(xiàn)其結(jié)合與脫開的控制，要求控制精確，安全系數(shù)高，搭配相關(guān)傳感器進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)監(jiān)測。該方案配有應(yīng)急操作系統(tǒng)，可在電控系統(tǒng)出故障時，確保發(fā)動機(jī)的正常接合與脫開。離合器分動箱結(jié)構(gòu)如圖4所示。離合器控制邏輯如圖5所示。

本方案優(yōu)點(diǎn)是在柴油發(fā)動機(jī)啟動時，完全脫開分動箱驅(qū)動齒輪和后端液壓泵負(fù)載，極大降低了發(fā)動機(jī)啟動所需時間，電氣一鍵控制，操作更簡單便捷。電路設(shè)有保護(hù)功能，發(fā)生異常自動斷開離合器，使用更安全。其不足之處在于經(jīng)濟(jì)成本相對上述兩種方案高一些。

4" "液壓系統(tǒng)輔助啟動法

4.1" "方法概述

上述第二種和第三種方案均是從較少或除去液壓負(fù)載的情況，考慮柴油發(fā)動機(jī)高海拔低溫啟動，本方案是通過將液壓啟動負(fù)載轉(zhuǎn)換為啟動輔助動力源與發(fā)動機(jī)自帶啟動機(jī)同時工作，實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)動機(jī)啟動。發(fā)動機(jī)作為液壓系統(tǒng)動力元件，帶動液壓泵旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)從液壓油箱吸油，向系統(tǒng)提供所需高壓油液。該方案中的液壓泵為特殊型號定制泵，在特定工況下可切換為馬達(dá)功能。在正常海拔時，可實(shí)現(xiàn)液壓泵單獨(dú)啟動發(fā)動機(jī)，在一定程度上起到節(jié)能環(huán)保和保護(hù)啟動機(jī)的效果。

4.2" "系統(tǒng)方案分析

圖6為液壓系統(tǒng)輔助啟動法原理框圖。其中排量控制閥用于推動液壓泵內(nèi)斜盤擺動，實(shí)現(xiàn)液壓泵和液壓馬達(dá)功能之間的切換。截止閥用于控制液壓泵和其他液壓工作回路之間的通斷。蓄能器閥用于控制蓄能器和系統(tǒng)之間的油路通斷。手動球閥1用于手動控制蓄能器和系統(tǒng)之間的油路通斷。蓄能器作為儲能元件，必要時可作為高壓油源。手動球閥2用于釋放蓄能器中的高壓油液。手動泵作為應(yīng)急油源，可向蓄能器中充油。

該系統(tǒng)具有輔助柴油發(fā)動機(jī)啟動和停止功能。啟動時，蓄能器內(nèi)已充滿高壓油液（前一次啟動時已完成充注）。首先排量控制閥得電，在蓄能器高壓油作用下，液壓泵由泵工況切換為馬達(dá)工況。其次截止閥得電，切斷至工作裝置之間的系統(tǒng)油路。最后蓄能器閥得電，蓄能器中的高壓油液僅能進(jìn)入液壓馬達(dá)（由液壓泵切換至此工況），在高壓油液作用下，液壓馬達(dá)帶動發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)。

當(dāng)?shù)竭_(dá)一定轉(zhuǎn)速時，發(fā)動機(jī)進(jìn)入自啟動，排量控制閥失電，變量活塞在彈簧力作用下復(fù)位。液壓泵上的擺角傳感器檢測到斜盤到達(dá)零位后（此時由馬達(dá)工況切換為泵工況），蓄能器閥失電，停止向系統(tǒng)內(nèi)供應(yīng)高壓油液。發(fā)動機(jī)完成啟動，到達(dá)額定轉(zhuǎn)速后，液壓泵輸出的油液因不能進(jìn)入系統(tǒng)，壓力逐漸升高，首先補(bǔ)充蓄能器所需油液。當(dāng)?shù)竭_(dá)蓄能器的設(shè)定壓力后，截止閥得電，油液進(jìn)入系統(tǒng)執(zhí)行其他正常動作。

該方案優(yōu)點(diǎn)是與正常啟動操控?zé)o差異，并可根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行最佳啟動模式選擇，既實(shí)現(xiàn)了柴油發(fā)動機(jī)高海拔低溫快速啟動功能，又能達(dá)到綠色環(huán)保的效果，還在一定程度上減少了柴油機(jī)啟動機(jī)的損耗。其缺點(diǎn)是前期配裝成本較高，需要相對復(fù)雜的邏輯控制才能實(shí)現(xiàn)其功能。

5" "結(jié)語

工程機(jī)械產(chǎn)品在高原高海拔地區(qū)使用，面臨每天初次啟動困難的問題。針對于此，本文介紹幾種輔助啟動方案。上述四種方案在實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)動機(jī)高海拔低溫冷啟動功能的同時，各自存在優(yōu)缺利弊，不同應(yīng)用場景、不同工程機(jī)械設(shè)備可根據(jù)實(shí)際情況，選用不同輔助啟動方式。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，基礎(chǔ)工業(yè)水平的不斷增強(qiáng)，未來將會有更多可靠和性價比高的的輔助啟動方式出現(xiàn)。