殷浩 梅映新 高水華

（中國船舶重工集團(tuán)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(fā)展，越來越多柴油發(fā)電機(jī)組在此極端環(huán)境下，作為工作人員的動(dòng)力應(yīng)用、照明，取暖等生活保障的必備電源。其中，柴油機(jī)在高原寒冷地區(qū)的使用特性成為一個(gè)值得關(guān)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(jī)的啟動(dòng)條件極其苛刻。本文研究了多種在南極高海拔低溫環(huán)境啟動(dòng)措施及實(shí)施，以確保能順利地啟動(dòng)柴油機(jī)。

1 南極環(huán)境及其對發(fā)電機(jī)組的影響

2.1 南極環(huán)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(huán)境對柴油機(jī)啟動(dòng)的影響

（1）缺氧的影響

南極海拔4087 m地區(qū)空氣中的氧含量很低，導(dǎo)致柴油不能完全充分燃燒，啟動(dòng)時(shí)燃燒動(dòng)力不足。

（2）氣壓不足的影響

南極海拔4087 m地區(qū)空氣中大氣壓力僅有57660Pa，比標(biāo)準(zhǔn)大氣壓低多了，

（3）外界溫度的影響

南極寒冷環(huán)境下，柴油機(jī)不容易發(fā)動(dòng)，由于機(jī)體溫度過低，散熱快，柴油機(jī)啟動(dòng)時(shí)曲軸轉(zhuǎn)速低，加之吸入的空氣溫度過低，造成壓縮行程終了時(shí)汽缸內(nèi)溫度和壓力過低，一方面達(dá)不到燃油的自燃發(fā)火溫度，另一面燃油的霧化不好，都導(dǎo)致柴油不易爆發(fā)燃燒，啟動(dòng)時(shí)燃燒動(dòng)力不穩(wěn)定，也不足。一般柴油機(jī)要求壓縮后汽缸內(nèi)溫度達(dá)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(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩阻力增大，啟動(dòng)所需要的功率也增大，導(dǎo)致達(dá)不到使發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)所需的最低轉(zhuǎn)速（一般在100 rpm以上）。

（5）啟動(dòng)電池的影響

南極低溫環(huán)境會(huì)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(shí)，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(shí)，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(nèi)阻增大， 因此會(huì)使端電壓隨溫度的降低而下降，由于電解液黏度大，離子擴(kuò)散的速度降低，電化學(xué)反應(yīng)減慢，滲入極板內(nèi)層就困難， 放電時(shí)極板內(nèi)層的活性物質(zhì)不能被充分利用，實(shí)際的輸出容量減小。一般情況下， 溫度降低1℃， 緩慢放電時(shí)， 容量約減小1%，迅速放電時(shí)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(guān)系到啟動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，影響柴油機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)速。

2 高海拔低溫啟動(dòng)應(yīng)具備的條件

當(dāng)氣溫在-10°C以下時(shí)，柴油機(jī)冷啟動(dòng)就有一定困難；當(dāng)氣溫降至-40°C以下時(shí)，不采取一些低溫啟動(dòng)措施，則根本無法啟動(dòng)。柴油機(jī)在南極低溫啟動(dòng)的必要條件如下：

（1）必須達(dá)到一定的啟動(dòng)轉(zhuǎn)速

柴油機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)速一般大于100 r/min，其低溫啟動(dòng)主要受啟動(dòng)阻力的影響，啟動(dòng)時(shí)曲軸的旋轉(zhuǎn)阻力包括：汽缸內(nèi)壓縮空氣的反作用力、運(yùn)動(dòng)部位的慣性力、各摩擦處的摩擦阻力等。

（2）汽缸內(nèi)混合氣達(dá)到足夠的壓力

柴油機(jī)的壓縮比很高，一般通用機(jī)型的壓縮比為14～22左右。壓縮沖程完成時(shí)，燃燒室內(nèi)混合氣的壓力應(yīng)有3～5 MPa。

（3）汽缸內(nèi)混合氣應(yīng)有足夠的溫度

壓縮沖程完成時(shí)，汽缸內(nèi)的混合氣應(yīng)具備足夠的溫度。一般柴油機(jī)要求壓縮沖程王城時(shí)，汽缸內(nèi)的溫度應(yīng)達(dá)到400°C以上。

（4）壓縮空氣中氧氣含量應(yīng)達(dá)標(biāo)

必須有足夠多的空氣進(jìn)入汽缸，應(yīng)使壓縮空氣中含氧氣濃度足夠，汽缸內(nèi)形成混合氣后才可充分燃燒。

3 高海拔低溫啟動(dòng)的技術(shù)措施

（1）采用低溫專用蓄電池

此類蓄電池優(yōu)點(diǎn)：采用單元卷繞技術(shù)，其極板之間的間隙非常?。徊捎霉虘B(tài)酸，且能被玻璃纖維網(wǎng)所吸附；結(jié)構(gòu)緊密，極板面積遠(yuǎn)高于普通平板式蓄電池的面積；低溫時(shí)，無液態(tài)酸冰凍現(xiàn)象，可在-40°C南極環(huán)境條件下正常工作；冷啟動(dòng)功率、充電速度等指標(biāo)比普通蓄電池具有明顯優(yōu)勢。

（2）加強(qiáng)對低溫型蓄電池的維護(hù)保養(yǎng)

在南極使用低溫型蓄電池時(shí)，應(yīng)采取一些技術(shù)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(jī)低溫啟動(dòng)性能，延長蓄電池的使用壽命。

對蓄電池進(jìn)行保溫方法之一：是制作一個(gè)適當(dāng)?shù)奶刂票叵洹?/p>

箱內(nèi)填裝保溫材料，將蓄電池穩(wěn)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(jìn)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(dòng)用蓄電池對啟動(dòng)蓄電池加熱，有效保持啟動(dòng)蓄電池的溫度，保障其啟動(dòng)時(shí)的溫度環(huán)境與放電能力。

（3）選用低溫性能好的機(jī)油

這類機(jī)油低溫時(shí)黏度小，啟動(dòng)時(shí)各摩擦處潤滑好，啟動(dòng)阻力小。單級機(jī)油使用溫度范圍較窄，多級機(jī)油可以在較寬的溫度范圍內(nèi)工作，一般可選黏度等級“長城”0 W/30 CF-4機(jī)油[1]。在南極地區(qū)，還應(yīng)使用專門的抗凍機(jī)油。

（4）選用質(zhì)量可靠的防凍液

在條件允許的情況下，柴油機(jī)冷卻液盡量采用質(zhì)量可靠的防凍液，防凍液的冰點(diǎn)應(yīng)比環(huán)境最低溫度-36.5℃低5°C左右。

4 高海拔低溫啟動(dòng)的具體方法

（1）采用現(xiàn)場室內(nèi)加熱裝置

機(jī)組啟動(dòng)之前，現(xiàn)場內(nèi)陸站的暖風(fēng)設(shè)備預(yù)熱室內(nèi)環(huán)境至-35-0℃之間。

（2）采用保溫箱式

柴油發(fā)電機(jī)組單機(jī)是置于保溫箱內(nèi)，并做好固定，可整體起吊，箱壁內(nèi)置保溫材料。保溫箱箱內(nèi)分割為空間1、空間2?？臻g1內(nèi)放置柴油發(fā)電機(jī)組單機(jī)1臺；獨(dú)立油箱1套；啟動(dòng)和加熱電源蓄電池柜；低壓控制箱各1套，啟動(dòng)前暖風(fēng)加熱器加熱升高空間1溫度到達(dá)-35- 0℃之間?？臻g2為觀察機(jī)組運(yùn)行狀況和為空間1提供空氣交換通道使用，同時(shí)采用各種先進(jìn)的進(jìn)氣、換氣、保溫綜合技術(shù)等。

（3）采用低溫免維護(hù)電池和兩種供電方式

發(fā)電機(jī)組采用低溫免維護(hù)起動(dòng)電池。

電池組分為2套：一套非啟動(dòng)用電池組在啟動(dòng)前供燃油加熱器，機(jī)油加熱器、電池自保溫的加熱等，另一套為機(jī)組啟動(dòng)電池組，單塊為75 Ah，12VDC的低溫型電池在啟動(dòng)時(shí)，放電電流為600 A，單塊電池電壓在1 s內(nèi)由13 V瞬間降到8 V。所以使用4塊蓄電池串并聯(lián)，組成DC24 V的電池組，在極低溫度下，由于此免維護(hù)蓄電池自身高倍率的放電特點(diǎn)，可保證在啟動(dòng)瞬間提供超強(qiáng)的電流給啟動(dòng)發(fā)達(dá)，以達(dá)到較高啟動(dòng)率的效果。

（4）采用雙啟動(dòng)馬達(dá)

采用雙馬達(dá)結(jié)構(gòu)啟動(dòng)方法，即在發(fā)動(dòng)機(jī)盤車或者備用馬達(dá)接口增加一組啟動(dòng)馬達(dá)，可提高馬達(dá)的扭矩，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪的扭矩，增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的輸入動(dòng)力，保障了發(fā)動(dòng)機(jī)四沖程的運(yùn)行，提高啟動(dòng)效率。

（5）采用全程加熱燃油系統(tǒng)方案：

室內(nèi)設(shè)置一個(gè)1000 L日用油箱，裝有油閥，通過管路連接到3臺發(fā)電機(jī)組的獨(dú)立油箱（同時(shí)其他管路到鍋爐），此時(shí)燃油加熱器加熱獨(dú)立油箱中燃油，燃油經(jīng)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(jī)組低溫時(shí)迅速啟動(dòng)，首次啟動(dòng)時(shí)可采用-40號軍用柴油和航空煤油混合供油，降低燃燒點(diǎn)，啟動(dòng)成功后轉(zhuǎn)供航空煤油或柴油連續(xù)運(yùn)行。

（7）采用強(qiáng)制循環(huán)式燃油加熱器

這是近幾年新采用的低溫輔助啟動(dòng)方式，這種低溫啟動(dòng)方式是通過燃油加熱器。附帶的水泵將發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體內(nèi)的冷卻液抽出，通過燃油加熱器將其加熱后再循環(huán)至發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體內(nèi)，以此加熱發(fā)動(dòng)機(jī)，達(dá)到低溫條件下啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的目的。

這種低溫啟動(dòng)方式的整個(gè)加熱過程需30-40 min，能將發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體溫度加熱到0-50℃左右，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油也得以加熱，機(jī)油的粘度降低，發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫條件下的潤滑條件改善，使發(fā)動(dòng)機(jī)順利啟動(dòng)。這種低溫啟動(dòng)方式優(yōu)點(diǎn)明顯，使發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫寒冷條件下的啟動(dòng)性能大大提高。

（8）在進(jìn)氣管內(nèi)安裝螺旋式電阻加熱器

這種裝置由蓄電池供電，啟動(dòng)前接通電源10～30 s使螺旋式電阻器發(fā)熱，來加熱進(jìn)入汽缸的空氣，提高柴油機(jī)在壓縮完成時(shí)汽缸內(nèi)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(jìn)入汽缸來增加氧氣量，從而提高燃燒做功能力，提高啟動(dòng)動(dòng)力。

（10）適當(dāng)調(diào)整噴油提前角

由于南極海拔高，氣壓低，氧氣稀薄，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒爆發(fā)壓力低，適當(dāng)提前噴油提前角，可以使燃油在活塞距離到達(dá)壓縮止點(diǎn)最近時(shí)點(diǎn)燃，此時(shí)燃燒爆發(fā)壓力最大，推動(dòng)活塞做功效果最好，能提高發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)動(dòng)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(jī)油，降低機(jī)油黏度，減小啟動(dòng)阻力。應(yīng)用此種方法時(shí)，應(yīng)控制加熱時(shí)間，避免因加熱時(shí)間過長，機(jī)油溫度過高，而導(dǎo)致機(jī)油老化變質(zhì)。

（12）采用火焰預(yù)熱裝置啟動(dòng)

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

（13）采用低溫啟動(dòng)液輔助啟動(dòng)

此方法是在啟動(dòng)前，向柴油機(jī)進(jìn)氣歧管中噴入一定比例的低溫啟動(dòng)液。低溫啟動(dòng)液中的乙醚燃點(diǎn)低，在3.25 MPa壓力下乙醚的燃點(diǎn)僅為57°C左右，所以柴油機(jī)不須達(dá)到最低啟動(dòng)轉(zhuǎn)速的要求，就能點(diǎn)火啟動(dòng)。實(shí)踐證明，使用低溫啟動(dòng)液，可以保證柴油機(jī)在氣溫為-45°C時(shí)迅速啟動(dòng)。

5 高海拔低溫啟動(dòng)注意事項(xiàng)

（1）控制啟動(dòng)時(shí)間

在低溫啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)機(jī)連續(xù)帶動(dòng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一般不能超過10 s；

連續(xù)3次啟動(dòng)，啟動(dòng)間隔15 s，還不能點(diǎn)火時(shí)，應(yīng)暫停2～3 min后再啟動(dòng)。若再啟動(dòng)2～3次仍不能點(diǎn)火時(shí)，則應(yīng)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(dòng)，會(huì)使蓄電池過度放電，將造成極板老化。

（2）多種啟動(dòng)方法應(yīng)使用合理

為達(dá)到最佳啟動(dòng)效果，前述幾種啟動(dòng)方法往往同時(shí)使用。但是低溫啟動(dòng)液輔助啟動(dòng)與進(jìn)氣火焰預(yù)熱、低溫啟動(dòng)液輔助啟動(dòng)與進(jìn)氣螺旋電阻加熱不能同時(shí)使用，否則火焰將點(diǎn)燃啟動(dòng)液混合氣而發(fā)生爆炸，引起嚴(yán)重后果。

（3）使用低溫啟動(dòng)液應(yīng)注意安全

啟動(dòng)液的成分主要是乙醚，易揮發(fā)，使發(fā)動(dòng)機(jī)低溫順利啟動(dòng)，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(dá)及點(diǎn)火開關(guān)。在嚴(yán)寒低溫下可以縮短發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)間，延長蓄電池使用壽命。壞處是噴入量不宜過多，否則會(huì)造成敲缸，工作粗暴損壞活塞環(huán)。不準(zhǔn)將低溫啟動(dòng)液加入油箱中，以免產(chǎn)生氣阻。

（4）使用燃油加熱器應(yīng)正確選油

采用外置強(qiáng)制循環(huán)式燃油加熱器時(shí)，不能使用汽油作燃料，應(yīng)根據(jù)機(jī)器使用的環(huán)境溫度，選用適當(dāng)牌號的輕柴油（或煤油）。當(dāng)與柴油機(jī)使用相同牌號柴油時(shí)，應(yīng)保證在使用環(huán)境溫度下，柴油不結(jié)冰、不結(jié)蠟，防止供油回路堵塞。

（5）啟動(dòng)后應(yīng)低速運(yùn)轉(zhuǎn)并查尾氣

柴油機(jī)啟動(dòng)后的最初一段時(shí)間內(nèi)，切忌加大油門高速運(yùn)轉(zhuǎn)或帶較大負(fù)荷運(yùn)行，否則極易造成拉缸、燒軸、抱瓦等事故。

柴油機(jī)啟動(dòng)后，應(yīng)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)5～10 min，然后逐漸運(yùn)轉(zhuǎn)“暖機(jī)”。當(dāng)冷卻液的溫度達(dá)到60°C以上時(shí)，檢查儀表板上的機(jī)油壓力、水溫，以及指示燈是否正常，特別是機(jī)油壓力應(yīng)在0.15～0.50 MPa范圍內(nèi)。在柴油機(jī)沒有任何異響、正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，逐漸增加負(fù)荷進(jìn)行作業(yè)。

一般冷啟動(dòng)時(shí)，排氣管會(huì)冒一陣白煙，隨著柴油機(jī)溫度的升高，白煙應(yīng)逐漸消失。

（6）噴油提前角調(diào)整要適當(dāng)[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(jī)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(jìn)行，柴油機(jī)燃燒效率下降，未燃碳?xì)浠衔铮℉C）與煙度增加。

6 實(shí)際應(yīng)用

武漢712所根據(jù)南極考察隊(duì)的要求，設(shè)計(jì)開發(fā)了南極發(fā)電機(jī)組GS150D，此機(jī)組柴油機(jī)用道依茨BF8L513C機(jī)型，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用了多種高海拔低溫啟動(dòng)方法，最終確保發(fā)動(dòng)機(jī)的順利啟動(dòng)；并帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)行的特殊功能，大大地拓寬了我所柴油發(fā)電機(jī)組應(yīng)用市場。

7 結(jié)束語

該機(jī)組從設(shè)計(jì)、采購、試驗(yàn)僅僅歷時(shí)3個(gè)月，其中南極高海拔低溫啟動(dòng)為關(guān)鍵技術(shù)之一。在應(yīng)用中，從加熱、預(yù)熱到啟動(dòng)，只需要按動(dòng)按鈕，操作簡單，使用方便，啟動(dòng)可靠性高。機(jī)組在-36.5℃時(shí)，經(jīng)30 min預(yù)熱后一次啟動(dòng)成功率90%，并在10 min內(nèi)帶動(dòng)規(guī)定負(fù)載?？沈?yàn)證上述措施，方法可靠性高，應(yīng)用價(jià)值高，完全解決了南極高海拔柴油機(jī)低溫啟動(dòng)問題。

[1]戴輔民, 孫樹仁. 東風(fēng)柴油機(jī)的低溫啟動(dòng)性能與低溫用發(fā)動(dòng)機(jī)油. 中國汽車工程學(xué)會(huì)燃料與潤滑油分會(huì)第十一屆年會(huì)論文集, 140-145.

[2]商海昆, 內(nèi)燃機(jī), 重慶：機(jī)械工業(yè)第三設(shè)計(jì)研究院內(nèi)燃機(jī)雜志社. 2009,（1）

[3]吳昊旻等, 噴油壓力優(yōu)化調(diào)整的探討, 農(nóng)機(jī)使用與維修, 2006,(2).