羅桂山，龐建中，史全勝，邢滿禧，常曉峰

（1.海軍駐上海704所軍事代表室，上海 200031；2.北奔重型汽車集團有限公司，內(nèi)蒙古包頭 014030）

整車低溫啟動性研究

羅桂山1，龐建中2，史全勝2，邢滿禧2，常曉峰2

（1.海軍駐上海704所軍事代表室，上海 200031；2.北奔重型汽車集團有限公司，內(nèi)蒙古包頭 014030）

介紹了整車在標準狀態(tài)下的低溫啟動特性，通過在進氣系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)、油底殼機油采取加熱措施，減小進、排氣系統(tǒng)阻力，分析提升發(fā)動機的低溫啟動特性，同時在試驗中，摸索了各種措施對整車（發(fā)動機）的低溫啟動特性的影響，掌握了整車（發(fā)動機）的降溫特性，為整車（發(fā)動機）低溫啟動性能開發(fā)提升提供了技術支撐，同時提出了后續(xù)提升低溫啟動性能的措施和進一步研究方向。

發(fā)動機；低溫啟動；性能..

0 引言

整車的低溫啟動性能是滿足車輛在惡劣工況正常使用的重要指標之一，特別是隨著特殊工況的作業(yè)需求和軍事特殊需要，提升整車低溫啟動性能是卡車研發(fā)的一個重要方向?；谶@樣的需求，對整車低溫啟動性能和提升方案進行了研究。

現(xiàn)有的低溫啟動方法包括：1）發(fā)動機進氣道加熱(在發(fā)動機進氣道上加熱空氣)，該技術的應用可以確保車輛在-20℃以上順利啟動；2）增加乙醚噴射裝置，利用乙醚的揮發(fā)性和低燃點，強制發(fā)動機缸內(nèi)燃燒從而啟動發(fā)動機，這種發(fā)動機啟動方式容易導致發(fā)動機工作粗暴，對發(fā)動機損害較大；3）采用油底殼機油加熱，該種方式為配合其他方式啟動的方法，單獨使用效果不明顯，當采用外部對油底殼加熱方式時，也不安全環(huán)保。

用戶提出的低溫啟動特殊要求是在-40℃環(huán)境下，4分鐘之內(nèi)啟動整車。針對這個要求，柴油發(fā)動機要想順利啟動，則需要發(fā)動機氣缸內(nèi)的混合氣體在壓縮沖程終了時能夠壓縮燃燒，從而使發(fā)動機工作。而影響整車低溫啟動性能的因素有進氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)、發(fā)動機機油粘度、啟動機功率、電瓶的容量和低溫特性、發(fā)動機內(nèi)阻這些方面，為了確保整車低溫啟動特性滿足需求，進行了整車低溫啟動特性研究（本文所研究的發(fā)動機為V型8缸風冷柴油發(fā)動機）。

1 技術方案

研究車型為北奔2629LA車型，所匹配的發(fā)動機為風冷V8發(fā)動機，發(fā)動機本體帶有進氣系統(tǒng)或預熱裝置，可以在-20℃環(huán)境下正常啟動，為了提升該車型的低溫啟動性能，在涉及發(fā)動機低溫啟動影響因素方面，均提出了技術提升方案。

對于進氣系統(tǒng)，在發(fā)動機現(xiàn)有燃油加熱預熱塞基礎上，增加了兩組（4個）電預熱塞（即每個進氣道上有3個預熱塞，共有6個預熱塞）。另一種方案是在進氣系統(tǒng)管路處串聯(lián)一個燃油空氣加熱器，用于加熱進氣道中的空氣，提升低溫啟動時的進氣溫度。如有必要，可以在拆掉濾芯時（可減小進氣阻力2.5kPa以上），對空氣預濾器進氣口火焰噴射，加熱進氣溫度，以提升發(fā)動機低溫啟動性。

對于排氣系統(tǒng)，在排氣管進入消聲器之前，加裝一個轉(zhuǎn)換接頭。當?shù)蜏貑訒r，為了減小排氣背壓，轉(zhuǎn)換接頭調(diào)整排煙口直排大氣。當發(fā)動機啟動后，轉(zhuǎn)換接頭調(diào)整排煙口與消聲器連接起來，起到控制噪聲和排放的效果，短接消聲器可減少排氣背壓5.7kPa，減小發(fā)動機啟動阻力。

在燃油供給系統(tǒng)中，增加了圖1所示燃油加熱系統(tǒng)和自動泵油裝置，提升燃油在低溫下的流動性和霧化性，確保發(fā)動機缸內(nèi)容易燃燒，滿足發(fā)動機啟動要求。

圖1 增加了燃油加熱系統(tǒng)和自動泵油裝置的燃油供給系統(tǒng)

為了確保低溫啟動時，電瓶容量能夠滿足要求，對蓄電池的低溫放電特性進行了實驗分析，計算出該八缸發(fā)動機需要的鉛酸蓄電瓶的容量為2×12V×200AH。同時，由于磷酸鐵鋰電池具有越啟動、越有勁的特點，所以采用磷酸鐵鋰電池作為備選方案，磷酸鐵鋰電池的工作特性見圖2。相比圖3所示普通鉛酸蓄電池的工作特性，可以看出磷酸鐵鋰電池電瓶能夠連續(xù)、較長時間大功率工作，且其工作壽命長；但剛開始使用時，磷酸鐵鋰電池電壓較低，隨著使用時間變長，電壓逐步提高并保持穩(wěn)定。

圖2 磷酸鐵鋰電池的工作特性

圖3 普通鉛酸蓄電池工作特性

為了提升起動性能，選用9kW啟動機，以確保低溫時起動力矩足夠大。

為了降低發(fā)動機啟動時由于機油粘稠增大活塞運動的阻力，在油底殼加裝了熱交換器，其工作原理如圖4所示，具體為：燃油由油箱，經(jīng)油泵及油管霧化揮發(fā)進入燃燒室中，與進氣口吸入的空氣混合并燃燒。燃燒廢氣由排氣口排出。同時，燃燒產(chǎn)生的熱量通過熱交換器傳遞給夾層中的循環(huán)液體（防凍液），循環(huán)液體在水泵的作用下強制排出，排出的冷卻液首先流經(jīng)發(fā)動機油底殼中的熱交換器，加熱油底殼中的機油，實現(xiàn)油底殼預熱；隨后，冷卻液流經(jīng)駕駛室暖風機，實現(xiàn)駕駛室預熱；最后，冷卻液流經(jīng)蓄水罐回到加熱器進水口，實現(xiàn)循環(huán)加熱。利用外部燃油加熱器加熱循環(huán)水，循環(huán)水加熱發(fā)動機油，降低機油粘稠度，從而降低發(fā)動機阻力，確保整車啟動。

同時作為備選方案，對發(fā)動機的進排氣門作控制（采用電磁控制閥，在發(fā)動機啟動時，打開其中四個缸的排氣門，降低氣缸工作阻力），使發(fā)動機在啟動時，只有四個缸做工作，其它四個缸不再工作，以降低起動阻力（理論上，可降低發(fā)動機啟動阻力的一半），從而提升整車發(fā)動機啟動性能。發(fā)動機啟動成功后，通過轉(zhuǎn)速信號自動控制發(fā)動機的其它四個缸進入正常工作狀態(tài)，從而使發(fā)動機進入正常工作狀態(tài)。

圖4 油底殼加裝了熱交換器系統(tǒng)原理

2 具體方案實施及試驗驗證

為了確保低溫-40℃環(huán)境下在4分鐘內(nèi)啟動整車發(fā)動機，將以上的思路和方案在車上匹配實現(xiàn)：1）底盤匹配油路預熱電動供油系統(tǒng)，在燃油供給系統(tǒng)中，串聯(lián)了電動供油泵，燃油管路增加了加熱系統(tǒng)，以提升燃油的及時供給和物化特性；2）匹配發(fā)動機進氣電預熱塞系統(tǒng)，在V型發(fā)動機的兩側(cè)進氣道上，加裝了各兩個電預熱塞，結合原有的燃油加熱塞，提升了可燃氣體的壓縮初始溫度，確保快速啟動；3）發(fā)動機油底殼加裝熱交換器系統(tǒng)，提高機油溫度減小發(fā)動機啟動阻力；4）匹配普通鉛酸和新型磷酸鐵鋰蓄電池，做一個起動性能對比。進氣系統(tǒng)管路處增加串聯(lián)一個燃油空氣加熱器方案，排氣系統(tǒng)安裝轉(zhuǎn)換接頭降低阻力的方案，發(fā)動機使用半數(shù)缸參與啟動的方案，由于時間緊，沒有進入方案實施中。

具體的試驗方案包括4個，分別為：a）油底殼加熱后，利用發(fā)動機本體預熱裝置加熱發(fā)動機進氣、2×12V×200AH蓄電池、9kW起動機，進行低溫啟動試驗；b）油底殼不加熱，采用油路預熱電動供油、發(fā)動機進氣系統(tǒng)再增加進氣電預熱塞、2×12V×200AH蓄電池、9kW起動機，進行低溫啟動試驗。此外，還在-40℃環(huán)境下進行了整車（發(fā)動機）處于-35℃、-30℃、-15℃時的低溫啟動試驗；c）油底殼不加熱，采用油路預熱電動供油、發(fā)動機進氣系統(tǒng)再增加進氣電預熱塞、2×12V×200AH蓄電池、9kW起動機、進氣道處用火焰加熱，進行低溫啟動試驗；d）油底殼不加熱，采用油路預熱電動供油、發(fā)動機進氣系統(tǒng)再增加進氣電預熱塞、2×12V×180AH磷酸鐵鋰電池、9kW起動機、進氣道處用火焰加熱，進行低溫啟動試驗。

同時，利用低溫試驗，摸索發(fā)動機溫度在-40℃的環(huán)境下，整車（發(fā)動機）的降溫特性。

試驗結果：采用a方案，發(fā)動機可以在12分鐘內(nèi)啟動；采用b方案，發(fā)動機在-40℃時可以在4分鐘49秒內(nèi)啟動，在-35℃時，3分50秒啟動成功，在-30℃時，1分52秒啟動成功，在-15℃時，不采取任何加熱措施可在34秒啟動成功；采用c方案，發(fā)動機可以在2分鐘5秒內(nèi)啟動；同時為了驗證其它配置試驗，采用d方案在-40℃環(huán)境下，進行了3次啟動（3次啟動篩選了8V、6.2V、6.2V低電壓觸動繼電器），都未成功。在實驗過程中，同時還監(jiān)控了發(fā)動機油溫、柴油油溫、電瓶啟動過程中的電壓和電流變化。

對 d方案未能啟動成功原因進行分析，發(fā)現(xiàn)每次啟動時，啟動機轉(zhuǎn)動一下后隨著電路中電壓的降低，發(fā)動機的起動機不再工作，導致發(fā)動機不能啟動。對啟動電路進行分析，發(fā)現(xiàn)啟動電路設計沒有問題（如圖5所示），但電路帶有啟動閉鎖繼電器，檢查實驗記錄數(shù)值，發(fā)現(xiàn)在啟動時，電路中的電壓會降低到4.6V～8.3V左右，通過與啟動閉鎖繼電器廠家溝通，了解到啟動閉鎖繼電器在8V以下時不會吸合，也就是說，使用磷酸鐵鋰電池在-40℃低溫啟動實驗時，起動機處電壓會降低到某個值（8V）時，由于電壓太低，啟動機就停止工作，導致發(fā)動機不能啟動。為了驗證該推理，在啟動電路中，匹配常規(guī)繼電器（如圖6所示），啟動成功，說明匹配磷酸鐵鋰蓄電池的發(fā)動機不能啟動的原因是由于啟動機工作時，導致電瓶電壓降低到不能激勵繼電器結合。

圖5 帶有啟動閉鎖繼電器的起動電路

圖6 帶有啟動繼電器的起動電路

對（整車上）發(fā)動機低溫降溫特性分析，（整車上）發(fā)動機機油溫度降低到-40℃時，需要時間為795分鐘；降到-35℃時，需要時間為595分鐘；在-40℃環(huán)境下車輛熄火后，整車降到-35℃（以發(fā)動機機油溫度為準）時，需要的時間為360分鐘。

3 結論

可以看出，當發(fā)動機采用油底殼加熱、發(fā)動機本體進氣系統(tǒng)加熱、2×12V×200AH蓄電池、9kW起動機時，發(fā)動機可在12分鐘內(nèi)啟動。

當發(fā)動機采用油底殼不加熱、油路預熱電動供油、發(fā)動機進氣系統(tǒng)再增加進氣電預熱塞、2×12V×200AH蓄電池、9kW起動機、進氣道處用火焰加熱方案時，發(fā)動機可在4分鐘49秒內(nèi)啟動。

采用油底殼不加熱，采用油路預熱電動供油、發(fā)動機進氣系統(tǒng)再增加進氣電預熱塞、2×12V×180AH/240AH/360AH磷酸鐵鋰電池、9kW起動機、進氣道處用火焰加熱方案時，鉛酸蓄電池時可以在4分鐘內(nèi)啟動；但采用磷酸鐵鋰電池蓄電池時，由于磷酸鐵鋰電池的固有特性，當電路中有啟動閉鎖繼電器時，由于啟動閉鎖繼電器不能吸合，發(fā)動機無法啟動，當啟動電路采用普通啟動閉鎖繼電器，可以啟動發(fā)動機。

當采用采用油路預熱電動供油、發(fā)動機進氣系統(tǒng)再增加進氣電預熱塞、2×12V×200AH蓄電池、9kW起動機方案時，在-35℃時，可以滿足在4分鐘內(nèi)啟動，通過記錄可以看出，在-40℃環(huán)境下，發(fā)動機啟動運行后，發(fā)動機可以在6個小時降到-35℃，此時啟動發(fā)動機可以正常啟動。也就是說，發(fā)動機在-40℃環(huán)境下，每間隔6小時就可以啟動一次發(fā)動機，也可滿足4分鐘發(fā)動機啟動的要求。

由于時間進度的關系，沒有對排氣系統(tǒng)的改進、進氣道加熱改進和發(fā)動機本體半數(shù)缸用來啟動的改進進行試驗，這些措施應該對整車（發(fā)動機）低溫啟動特性會有較大貢獻，后續(xù)需要探索這幾項設計改進對低溫啟動性能的影響。

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Research on Performance of Low-temperature Start for Vehicle

LUO Gui-shan1,PANG Jian-zhong2,SHI Quan-sheng2,XING Man-xi2,CHANG Xiao-feng2
(1.Navy Representative Office at No.704 Research Institute,Shanghai 200031,China;2.Beiben Trucks Group Co,Ltd,,Baotou 014030,China)

The characteristics of the vehicle in standard condition at low temperature are introduced.By taking heating measures in the intake system,fuel supply system and the sump oil,the intake and exhaust system resistance is reduced and the cold start characteristics are analyzed and improved.Meanwhile,the impact of various measures on the vehicle (engine) cold start characteristics iss explored in the experiment.The cooling characteristics of the vehicle (engine) are got,that provides a technical support for the vehicle(engine) to enhance the development of low-temperature start performance.The follow-up measures to enhance the low-temperature start performance and further research directions are suggested.

engine; low-temperature start; performance

U46

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.05.017

羅桂山（1963-），男，高級工程師。研究方向：內(nèi)燃機和船舶特輔機。