提高柴油机低温起动性能的冷起动辅助措施.docx
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提高柴油机低温起动性能的冷起动辅助措施
提高柴油机低温起动性能的冷起动辅助措施刘瑞林靳尚杰孙武全刘声标周广猛管金发
（军事交通学院
【摘要】分析了影响柴油机低温起动的因素,介绍了目前柴油机经常采用的低温冷起动辅助措施及其工作原理。
通过对不同冷起动辅助措施使用性能的分析,提出了在不同的环境温度下,应选用不同的冷起动辅助措施来改善柴油机的低温起动性。
主题词:
柴油机冷起动措施
中图分类号:
U464.172文献标识码:
A文章编号:
1000-3703（200706-0005-04
TheColdStartingAidsforImprovingtheCold
StartingAbilityofDieselEngines
LiuRuilin,JinShangjie,SunWuquan,LiuShengbiao,ZhouGuangmeng,GuanJinfa
（AcademyofMilitaryTransportation
【Abstract】Thefactorsaffectingthecoldstartingofdieselengineswereanalyzed,andthetypesandtheworkingprincipleofcoldstartingaidscommonlyusedbydieselengineswereintroduced.Byanalyzingtheoperationperformanceofdifferentcoldstartingaids,itisconcludedthatdifferentcoldstartingaidsforimprovingthecoldstartingabilityshouldbeselectedaccordingtodifferentenvironmenttemperatures.
Keywords:
Dieselengine,Coldstarting,Aid
1前言
柴油机的低温起动能力直接影响内燃机的工作可靠性和整机的工作效率,因此研究柴油机的低温起动,对于改善柴油车辆的使用性能有着重要意义。
改善柴油机的低温起动性能除了对柴油机自身进行优化设计外,最重要的是采用低温辅助措施。
2应急起动措施
应急起动措施是为适应紧急需要而采用的措施。
采用应急起动措施可使发动机快速起动并迅速加载运行[1],此时,发动机的润滑油、冷却液基本与环境温度一致,处于冷态。
2.1起动液
起动液是以乙醚或其它自燃点低的燃料为基础而组成的特殊液体。
十六烷值高的燃料着火温度低。
在压力为3.2MPa时,柴油的着火温度为177~207℃,而乙醚的着火温度只有57℃[2]。
冷起动液虽然起动时间短,但是其燃烧粗暴,影响发动机寿命,因此,选择这种起动方式起动时,应选雾化情况较好的起动液,并控制好喷射时间、喷入位置和喷入量[3]。
目前,在采用温暖蓄电池的条件下,德国奔驰2026车型（6×6若配用S.P型ARCTIC起动液,可使OM402型发动机在-40℃起动成功[4];国内部分斯太尔柴油车选装的冷起动装置包括冷起动液。
2.2进气预热
2.2.1电热预热进气装置
电热进气预热装置是用电热元件加热进气,把电能转变为热能的装置。
使用该装置起动柴油机时虽然要消耗2~4Ah的蓄电池容量,降低了起动系统的起动输出功率,但由于其结构简单、使用方便,可使柴油机在较低温度下起动,所以还是得到了应用。
如法国GBD（6×6型越野车采用塞型电热进气预热装置[5]（图1,起动前接通开关,蓄电池向4个并联的电热塞供电;预热20~30s后,按下起动按钮,进气通过4个灼热的电热塞被加热。
1.蓄电池
2.开关
3.电热塞
4.进气管
图1塞型电热进气预热装置工作原理示意
2
1
34
2.2.2火焰进气预热装置
火焰进气预热装置是通过预热塞使柴油在进
气管内燃烧加热进气的装置,其由预热塞、供油系统及控制系统组成。
火焰进气预热装置结构复杂,操作不当会损害预热塞,但由于其使用本车的柴油作燃料,耗电量小（仅11A,效果明显,使用方便,因此被广泛使用。
目前,在采用温暖蓄电池的条件下,德国奔驰2026车型（6×6使用奔驰火焰进气预热装置,可使OM402型发动机在-34℃起动成功[4];德国曼车型（8×8采用BOSCH全自动火焰进气预热装置[4],在温度高于-25℃时可保证发动机起动成功;国内部分斯太尔系列柴油机在进气歧管处安装火焰预热装置,依靠进气管上的2个预热塞进行进气预热,可保证车辆在-30℃以上迅速起动。
2.2.3双热源进气预热装置
双热源进气预热装置[6]是在进气系统布置1个
具有一定质量的加热储能体,起动前6~8min（在
-41℃左右的极低温度下,可延长至10min,用小
电流将储能体加热到设定温度;在起动过程中,储能体可以作为热源给进入缸内的空气提供热量,弥补了火焰进气预热塞使用中的不足。
双热源进气预热装置采用储能型PTC电热陶瓷进气预热加热器（图2,其发热功率与风速基本成正比,与环境温度基本成反比。
在低温试验室内,康明斯6BT柴油机在装用北京天启星新技术发展公司生产的K-06C型
PTC电热陶瓷进气预热加热器后,在-46.2~-48.9℃
的进气及环境温度下,在柴油机各部分温度、蓄电池电解液温度均达到试验温度-45℃时,使用“风帆牌”68025D型蓄电池可使柴油机顺利起动。
在高原实地进行的冷起动试验表明,用PTC材料制成的发动机冷起动进气预热器有一定的效果,但不很理想,主要原因是起动过程中风速低,致使发热功率较小[7]
。
图2
PTC电热陶瓷进气预热加热器示意
2.3燃烧室电热塞
燃烧室电热塞是一种简单、价廉和有效的起动
辅助措施,尤其在分隔式燃烧室车用柴油机中,普遍采用电热塞以改善冷起动性能。
电热塞的主要零件是管形加热元件,加热元件坚固而又气密良好地安装在电热塞壳内,使其既能抗腐蚀又能耐热气流冲击。
发动机起动后,电热塞能够快速达到点火所需要的温度,因而使用较为方便。
然而文献[8]指出,即使是同一种电热塞用在不同的柴油机型上,辅助低温起动的效果差距也很大,这不仅与发动机本身的起动性能有关,还与电热塞的安装位置有关。
LucasCAV公司研制了一种名为Micronova的电热塞[9]（图3,其端部装有外露很少的加热元件,直接与喷雾接触,同时干扰又最小。
当系统电压很低时,电热塞供电足以起动发动机,当然这是以起动转速在临界值以上为前提的。
由于成本较高以及受燃烧室面积大小的影响,电热塞多用于小型轿车中。
图3Micronova电热塞结构
2.4低温机油
低温机油具有低温动力粘度小、低温泵输送性
好、凝点低等特点。
选用合适的低温机油可以保证各摩擦副之间润滑正常、减小发动机的起动力矩。
-30℃以下宜采用严寒区机油,如8号严寒区稠化
机油、8号严寒区增压柴油机机油等[10]。
目前由东风汽车有限公司与润滑油厂合作开发的极寒区用油
0W/30CF-4级柴油机油可以保证EQB/D系列发动机在-35℃环境下起动[11]。
2.5防冻液
防冻液是一种冰点低于0℃的液体,使用目的
是防止冻坏发动机和散热器。
用于柴油车的防冻液主要有酒精-水防冻液、甘油-水防冻液和乙二醇-水防冻液。
使用较多的是乙二醇-水防冻液,这种溶液与水混合可以配成不同冰点的防冻液,其最低冰
点可达-69℃。
单一的乙二醇-水防冻液有腐蚀性,且有一定的毒性,当在该溶液中加入一定数量的添加剂后,这种防冻液就具备了防冻、防垢的功能,可使用1~2年不用更换。
1.加热器壳体
2.隔热层
3.阻风门
4.固定架
5.储能芯片
6.PTC电热元件
7.指示灯
8.电流
表
9.蓄电池
10.发电机
接线端
电热塞体
BALCO电阻
散热槽
加热元件
玻璃陶瓷绝缘体
（熔成形状态
7
8
910
21
3456
2.6起动电机、新型高能蓄电池和蓄电池保温装置温度降低时,蓄电池的内阻和电解液的粘度增
加,其容量、放电电流和放电功率均减小。
电解液的温度每降低1℃且缓慢放电时,容量减少1%;迅速放电时容量则减少2%;-40℃时的蓄电池容量为15℃时蓄电池容量的32%左右。
这样使蓄电池的起动能力下降。
为使起动机输出足够的起动转矩,一般采取如下措施。
a.采用起动电机。
起动电机起动一般采用串
激低压直流电动机,其能提供较大的转矩,可保证柴油机在较短的时间内达到必须的起动转速。
b.使用低温性能好的高能蓄电池,如镍氢电
池、镍镉电池、锌-空气电池、燃料电池和钠硫电池等。
其中,锌-空气电池能量密度达到80~120W・h/kg;燃料电池能量密度达到200~300W・h/kg;钠硫电池能量密度达到490W・h/kg。
此外,目前研制出的薄极板蓄电池使每组电池能容纳的极板增多,放电电流大,也能满足低温起动的要求。
c.使蓄电池处于温暖状态。
把蓄电池放在没有保温层的箱内,起动发动机前开动独立式燃油加热器使蓄电池升温;将蓄电池置于保温箱内,用电热板、热水或热空气加热蓄电池使蓄电池升温。
目前我国已经生产出JB系列的蓄电池加热保温装置（图4。
图4
蓄电池加热保温装置构成示意
3升温起动措施
升温起动措施是利用燃油加热器将冷态发动
机的冷却液、润滑油加热使发动机升温,以便能顺利起动。
采用升温起动措施不仅可以使发动机在很低的温度下顺利起动,而且与采用应急起动措施的发动机起动相比,还具有减少机件磨损、避免零件损坏、节约燃料、减少排气污染等优点。
燃油加热器通过燃烧器使燃料燃烧,将热量通过热交换器传递给冷却液、空气来加热整机及润滑油。
发动机被加热后,气缸、活塞、活塞环以及各轴
承的温度升高,存在于这些摩擦副之间的机油温度也随之升高,降低了起动阻力,增加了起动转速,从而提高了压缩终了时的温度与压力,使发动机很容易起动。
同时,机油粘度下降,润滑条件得到改善,减少了机件磨损。
燃油加热器是低温条件下很有效的柴油机冷起动辅助措施,也是目前普遍采用的一种辅助起动方式。
国外的典型产品主要有德国的WEBASTOBW加热器;国产的加热器主要有120ZJQ型加温器、泊头仪表厂生产的YJ系列冷却液加热器、西宁高原工程机械研究所设计的以喷灯为热源的ZQJ-1型蒸气式加热器,以及天津军事交通学院和中国兵器装备集团公司第394厂联合研制生产的高海拔、低温燃油加热器。
3.1BW系列燃油加热器
目前德国WEBASTO公司生产的BW系列燃油加热器有2010、2020、2040三个型号。
其中,2010型的发热量为3.35×104kJ/h,尺寸为560mm×205mm×
885mm,质量仅有15kg,在车上布置方便,适用于中
等排量的发动机,如法国GBD（4×4车型采用
BW2010型加热器,保证车辆在-26℃时顺利起动[4]。
2020型的发热量为8.37×104kJ/h,适用于排量较大的发动机,尺寸为658mm×230mm×279mm,质量为24kg,热效率高达80%,其有完整的程序控制与保
护控制,还可用定时器控制,简化了操作。
3.2高海拔、低温燃油加热器
国内设计的燃油加热器基本上都是针对低温
条件设计的,如YJ系列冷却液加热器、ZQJ-1型蒸气式加热器等。
燃油加热器在-30℃以下就会出现燃油雾化不良、难以点燃和续燃性差的缺点,并且
随着海拔升高,燃油加热器点燃效果变差,导致燃油加热器发挥不了作用。
目前由天津军事交通学院和中国兵器装备集团公司394厂联合研制生产的ZYJ-20/40型燃油加热器（图5主要由燃烧系、供油系、进排气系、点火系、热交换器、冷却液循环系以及电子控制器等组成。
供油系由燃油泵、进油管、燃油滤清器、高压喷嘴、回油管组成;进排气系由进气孔、风扇、导风片及排气孔组成;热交换器由水套与翅片等组成;冷却液循环系由循环水泵、进水管、出水管组成;电子控制器为多功能电子控制器,安装在加热器的侧面,其具有程序控制功能和保护控制等功能。
循环水泵与燃油滤清器外挂于加热器外体,其余部件安装于加热器外罩内部,风扇与油泵由24V的直流电机驱动。
1.保温箱
2.加热板
3.感温塞
4.控制器
5.负
载
6.蓄电池
7.发电机
8.开关
9.指示灯
1
23489
7
65
图5ZYJ-20/40型燃油加热器结构示意表1ZYJ-20/40型燃油加热器性能参数
在高海拔低气压模拟试验台上模拟不同海拔（0、1000、2000、3000、4000、5000、5500m条件,该燃油加热器均一次性点火成功,能够持续正常燃烧,满足了高海拔环境的需要。
该燃油加热器在低温试验室内-41℃的环境下可在17min内使发动机冷却液温度由-41℃升高到60℃,且车辆在-41℃的环境下一次性起动成功,起动时间仅10s[12]。
在海拔2000m、-23℃的新疆拜城,该加热器可在16
min内使发动机冷却液温度加热至60℃,发动机一
次点火成功[13]。
4不同冷起动辅助措施的使用性能分析
在低温环境下,不同冷起动辅助措施对柴油车
低温起动性能的影响也不同。
低温环境下,冷起动辅助措施的选择不仅与柴油机结构设计、燃油、蓄电池等有关,还与柴油车使用的环境温度有关。
通过对上述不同冷起动辅助措施的分析,可知不同环境温度下应选用不同的冷起动辅助措施:
a.当环境温度高于-5℃时,使用低温机油和防冻液。
b.
当环境温度在-5~-20℃时,使用冷起动
液、低温蓄电池或蓄电池保温装置都可以起动发动机,但发动机工作粗暴,对柴油机损害较大。
c.当环境温度高于-30℃,在使用低温蓄电池
的前提下,采用储能型PTC电热陶瓷进气预热加热器、火焰进气预热装置。
d.当环境温度在-30~-41℃时,使用低温蓄
电池和储能型PTC电热陶瓷进气预热加热器或采用燃油加热器均可使冷态的柴油机顺利起动,但由于储能型PTC电热陶瓷进气预热加热器属于应急起动措施,所以使用燃油加热器起动更能提高柴油机的起动性能。
5结束语
对柴油机冷起动辅助措施及其使用性能进行
了分析,指出冷起动辅助措施必须与使用环境温度相适应。
在极低温度下采用升温起动措施能够减少磨损,防止发生机械故障,延长发动机的使用寿命。
参
考
文
献
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13
白明博.柴油机高海拔、低温起动装置设计及高海拔性能模拟研究.天津:
军事交通学院,2005.
（责任编辑
学
林
修改稿收到日期为2007年4月18日。
1.进水口
2.进油口
3.缠绕在加热器体上的预热油管段
4.出水口
5.回油口
6.进气
7.喷油嘴
8.柴油预热器
9排气管
10.燃烧室
11.水
套
1
2
3
4
5
6
11
10
9
8
7
参数数值
参数数值
发热量/kJ・h-1
8.37×104
最大外形尺寸/
mm×mm×mm
550×350×270
燃油消耗量/kg・h-1
3.1额定电压/V24热效率/%≥55
使用电源要求/V
26±4使用环境温度/℃≥-41适用海拔高度/m0~5000
整机质量/kg
18
升级会员 