吳放明，鄭艷剛，孫 燦，邵 波，石明輝

（北京汽車研究總院有限公司電子電器與空調(diào)部，北京 101300）

淺析柴油車發(fā)動機低溫起動困難原因及其改善措施

吳放明，鄭艷剛，孫 燦，邵 波，石明輝

（北京汽車研究總院有限公司電子電器與空調(diào)部，北京 101300）

為了改善某款軍用越野車在-30～-41℃低溫環(huán)境下的冷起動性能，通過多輪整車低溫冷起動試驗，并采集起動機的起動電流、發(fā)動機起動轉(zhuǎn)速、冷卻液溫度等參數(shù)，對試驗數(shù)據(jù)進行分析，確定發(fā)動機在低溫時起動困難的原因。通過優(yōu)化發(fā)動機ECU低溫標定數(shù)據(jù)，選取低溫性能更好的蓄電池，降低起動回路壓降等措施，改善了該軍用越野車的低溫起動性能。

蓄電池；低溫；冷起動

中國地域遼闊，多地冬季平均溫度都在-10 ℃以下，其中平均溫度在-25 ℃以下的地區(qū)占到全國總面積的25%，內(nèi)蒙古、新疆、西藏等西北地區(qū)最冷月份平均溫度在-25～-41 ℃之間。因此，車輛在低溫環(huán)境下的起動尤為重要，特別是柴油車型，低溫下的起動比汽油車要困難。

柴油車的冷起動性能是柴油車的重要性能指標之一，它不僅關(guān)系到發(fā)動機的工作效率，而且會影響到它的使用壽命；如果在低溫下不能起動，會給用戶帶來許多不便及抱怨［1］。一般民用汽車在環(huán)境溫度低于-20 ℃的情況時，車輛可置于暖庫內(nèi)，或者采用外接電源的方式來跨接起動車輛；但作為軍車必須具有良好的機動性、可靠性和環(huán)境適用性。因此，軍車要求具有在-30～-41 ℃極端低溫環(huán)境依靠自身配置的冷卻液加熱裝置和蓄電池來起動車輛發(fā)動機的能力。本文對某款軍用越野車在低溫環(huán)境下起動困難的原因進行分析，通過試驗驗證找到改善其冷起動性能的措施。

1 故障描述及初步分析

2014 年冬季，某款軍用越野車在漠河進行寒區(qū)適用性試驗，其中包括整車低溫冷起動試驗。在-30～-41 ℃的環(huán)境溫度下，整車靜置12 h后進行多次冷起動試驗，其中在環(huán)境溫度低于-37 ℃的情況下，發(fā)動機都無法正常起動。

在冷起動失敗的整個起動過程中，能聽到起動機處有“嗒嗒嗒”的聲音，起動機拖動無力、拖動轉(zhuǎn)速低，而且在起動過程中組合儀表出現(xiàn)黑屏、燈光變暗的現(xiàn)象，停止點火后組合儀表和燈光又恢復正常。之后更換常溫（未冷凍）蓄電池進行起動，發(fā)動機能正常起動。表1為試驗過程中測得的試驗數(shù)據(jù)。從數(shù)據(jù)中可以看出，隨著環(huán)境溫度的降低，在起動過程中，蓄電池的端電壓會逐步降低；而在起動試驗的過程中出現(xiàn)的組合儀表黑屏、燈光暗淡等現(xiàn)象，也反映出蓄電池的電壓已經(jīng)低于車上用電設(shè)備的正常工作電壓。

根據(jù)發(fā)動機廠家提供的資料，該柴油發(fā)動機起動時要求不低于120 r/min，低于此值，發(fā)動機將很難起動。從試驗數(shù)據(jù)分析表明，第1、2、3次試驗，在起動過程中發(fā)動機的最低拖動轉(zhuǎn)速均大于120 r/min，則發(fā)動機起動成功；在第4～7次試驗，發(fā)動機最低拖動轉(zhuǎn)速最大只有80 r/min，不滿足發(fā)動機廠商要求的最低起動轉(zhuǎn)速，最終導致發(fā)動機無法起動。

在起動過程中，蓄電池主要影響起動機的起動力

表1 2014年整車低溫冷起動試驗測試數(shù)據(jù)

1）采用冷卻液加熱裝置對發(fā)動機冷卻液進行加熱15 min；2）發(fā)動機最低拖動轉(zhuǎn)速是指在發(fā)動機剛開始被起動機拖動時發(fā)動機曲軸的最低轉(zhuǎn)速。矩和拖動轉(zhuǎn)速，蓄電池端電壓越高，起動機電樞的電壓越高，拖動轉(zhuǎn)速也越高；蓄電池輸出電流越大，拖動轉(zhuǎn)矩越大，起動機更容易拖動發(fā)動機轉(zhuǎn)動。但隨著溫度的降低，鉛酸蓄電池的電解液粘度增大，滲透能力下降，內(nèi)阻增加，促使蓄電池容量與端電壓下降。由于蓄電池容量在低溫條件下明顯降低，使起動機輸出功率下降，產(chǎn)生的起動力矩下降，因此發(fā)動機的拖動轉(zhuǎn)速下降，當拖動轉(zhuǎn)速低于120 r/min時，發(fā)動機將很難起動。

經(jīng)過上述分析，初步判斷發(fā)動機起動失敗的主要原因是：整車所選用的蓄電池低溫性能較差，在環(huán)境溫度低于-35 ℃后，其蓄電池容量明顯降低，內(nèi)阻增大，端電壓下降，無法使起動機正常工作。

2 試驗方法

考慮到在寒區(qū)試驗過程中，整車是在室外靜置12 h后再開始進行試驗，環(huán)境溫度是測量試驗開始前的溫度；因為室外溫度不是一直保持不變，白天溫度比夜晚要高，從表1可以看出試驗前發(fā)動機冷卻液、機油和蓄電池電解液的溫度均比環(huán)境溫度要高。發(fā)動機冷卻液過低時，氣缸、燃燒室等機件散熱快，氣缸內(nèi)的溫度不易達到柴油的自燃點；機油溫度偏低時，機油粘度增加，增大了發(fā)動機的轉(zhuǎn)動阻力；蓄電池電解液溫度過低，蓄電池內(nèi)阻增大，蓄電池容量明顯下降，放電性能較差。因此，從整車設(shè)計角度來看，應該考慮整車可能會遇到的最惡劣的情況，考慮發(fā)動機冷卻液、機油和蓄電池電解液的溫度均與環(huán)境溫度達到平衡后的情況下，發(fā)動機是否能順利起動。

為了進一步驗證分析，在2015年初安排了數(shù)次整車冷起動試驗，試驗在低溫環(huán)境艙內(nèi)進行。試驗共分5個溫度點進行，分別為0 ℃、-15 ℃、-30 ℃、-35 ℃、-41 ℃，試驗過程中均采用型號為CH-4 0W40的低溫機油，采用耐-50 ℃低溫的發(fā)動機冷卻液和柴油。在整個試驗過程中監(jiān)測發(fā)動機冷卻液、燃油、機油和蓄電池電解液的溫度；在發(fā)動機起動過程中采集蓄電池端電壓、起動電流、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、起動時間等參數(shù)，見表2。

表2 2015年整車低溫冷起動試驗數(shù)據(jù)

1）0 ℃、-15 ℃、-30 ℃試驗法 將試驗車輛靜置在相應溫度的環(huán)境艙內(nèi)24 h，待發(fā)動機冷卻液、燃油、機油、蓄電池電解液的溫度與環(huán)境溫度一致后，將點火開關(guān)擰至IG擋，待發(fā)動機進氣預熱指示燈熄滅后，完全踩下離合踏板，將點火開關(guān)擰至起動擋進行起動。

2）-35 ℃、-41 ℃試驗法 將試驗車輛靜置在相應溫度的環(huán)境艙內(nèi)24 h，待發(fā)動機冷卻液、燃油、機油、蓄電池電解液的溫度與環(huán)境溫度一致后，按下發(fā)動機預熱按鍵開啟冷卻液加熱裝置，對發(fā)動機冷卻液進行加熱，加熱25 min后，將點火開關(guān)擰至點火擋，待發(fā)動機進氣預熱指示燈熄滅后，完全踩下離合踏板，將點火開關(guān)擰至起動擋進行起動。

3 驗證分析

3.1 蓄電池放電能力分析

從表2試驗數(shù)據(jù)可以看出，隨著溫度的降低，蓄電池的端電壓越低。在-41 ℃下蓄電池的最低端電壓僅為4 V左右，已經(jīng)遠低于EMS、組合儀表等電器設(shè)備的最低工作電壓（6 V）。

3.2 發(fā)動機軟件標定分析

通過對-30 ℃的低溫冷起動試驗數(shù)據(jù)進行分析，在整個起動過程中共進行3次點火，第1、2次起動過程中起動機的拖動轉(zhuǎn)速比較平穩(wěn)，經(jīng)過一段時間后發(fā)動機出現(xiàn)斷續(xù)著火聲，發(fā)動機也開始工作，但松開鑰匙后，發(fā)動機立即熄火。第3次起動雖然成功，但整個起動過程持續(xù)40多s，已經(jīng)超出標準GB/T 12535—2007《汽車起動性能試驗方法》［2］中規(guī)定的低溫起動拖動時間不超過30 s的要求，因此，最終判斷起動不成功。

圖1為第3次起動過程中蓄電池電壓和發(fā)動機轉(zhuǎn)速的曲線圖。在整個起動過程中蓄電池的平均電壓達到9.9 V，且在起動過程中起動機拖動有力，因此，蓄電池的電量滿足要求。從圖1中可以看出，在起動第5 s的時候，發(fā)動機轉(zhuǎn)速就達到363 r/min，已經(jīng)遠高于發(fā)動機起動的最低轉(zhuǎn)速120 r/min，發(fā)動機也有明顯的著火跡象，但發(fā)動機一直未能順利起動，當松開點火鑰匙后發(fā)動機轉(zhuǎn)速明顯下降，且有熄火的可能，需要繼續(xù)將鑰匙打到起動擋讓起動機繼續(xù)保持工作，發(fā)動機轉(zhuǎn)速回升，同時需要輕踩油門，經(jīng)過一段時間后發(fā)動機轉(zhuǎn)速平穩(wěn)可以自行運轉(zhuǎn)。由此可見需調(diào)整起動過程中的發(fā)動機噴油量，予以適當加大，點火提前角需適當增大。

圖1 第3次-30℃低溫冷起動試驗記錄曲線

3.3 冷卻液加熱裝置效果驗證

該軍用越野車裝配了冷卻液加熱裝置，該裝置由蓄電池供電，使用柴油作為燃料，可在-41 ℃正常工作。油泵從油箱吸入燃油，在加熱器燃燒室中揮發(fā)成燃油蒸氣后，與助燃交換器將熱量傳導給循環(huán)液體，使其在整個發(fā)動機冷卻系統(tǒng)強制循環(huán)，適當提高發(fā)動機機體及機油溫度，減小起動阻力，提高燃油霧化效果，從而達到改善低溫起動性能的目的［3］。在-35 ℃的冷起動試驗中，由于采用了冷卻液加熱裝置對發(fā)動機冷卻液進行加熱，發(fā)動機機體和機油溫度得到適當提高，減小了起動阻力，起動機在起動時所需的起動電流較-30 ℃時要小很多，所以發(fā)動機起動比在-30 ℃（不采用冷卻液加熱裝置）時要順利得多。

由此可見，冷卻液加熱裝置對改善發(fā)動機的起動有很大的作用。在環(huán)境溫度-41 ℃的情況下，采用冷卻液加熱裝置對發(fā)動機冷卻液進行加熱時，發(fā)動機冷卻液的溫度曲線圖如圖2所示。在加熱15 min后，冷卻液加熱裝置進水溫度值為32.7 ℃，出水溫度為39.6 ℃；而在加熱25 min后進水溫度達到61.10 ℃，出水溫度達到67.30 ℃。

圖2 發(fā)動機冷卻液的溫度曲線圖

通過上述試驗分析，基本可以確定影響發(fā)動機起動的因素。

1）隨著溫度的降低，蓄電池電解液粘度增大，向極板的滲透能力下降，內(nèi)阻增加，蓄電池的放電能力越差；起動過程中起動機的電壓低于6 V后發(fā)動機將很難起動。

2）該軍用越野車所配置的柴油發(fā)動機未針對-30 ℃及以下溫度做過低溫標定，需要進行標定優(yōu)化。

3）通過冷卻液加熱裝置對發(fā)動機冷卻液進行加熱，加熱時間只有15 min，時間太短，導致發(fā)動機冷卻液的溫度偏低，不足以使發(fā)動機缸體得到充分的預熱。

4 解決措施

4.1 選用低溫蓄電池

從起動效果上講，蓄電池容量越大，整車起動能力越強，但大容量蓄電池帶來成本高、質(zhì)量大、空間布置困難的壓力［4］。該軍用越野車現(xiàn)有的蓄電池為100 Ah的普通免維護鉛酸蓄電池，其尺寸為352 mm×175 mm×190 mm。由于受整車布置空間限制，蓄電池的尺寸不能比該蓄電池大。根據(jù)GB/T 5008.2—2013《起動用鉛酸蓄電池 第2部分：產(chǎn)品品種規(guī)格和端子尺寸、標記》［5］中表6、7規(guī)定，蓄電池容量越大，其尺寸越大。因此，通過選用大容量蓄電池的方案行不通，只能在現(xiàn)有蓄電池的基礎(chǔ)上進行改進，或選用與現(xiàn)有蓄電池尺寸相近的低溫蓄電池。

通過調(diào)查其它軍車的蓄電池，發(fā)現(xiàn)某款軍用裝甲車所采用的型號為6-QW-80的蓄電池，其低溫性能較好，滿足該軍用裝甲車在-41 ℃環(huán)境溫度下的低溫起動要求。該蓄電池的尺寸為302 mm×172 mm×220 mm，其尺寸比現(xiàn)有100 Ah的蓄電池尺寸小，滿足該款軍用越野車整車布置要求。

該蓄電池是專門給某軍用裝甲車開發(fā)的一款低溫蓄電池，其特點是使用薄極板來降低蓄電池的內(nèi)阻。與其它公司同規(guī)格蓄電池相比，蓄電池正負極板的厚度要薄很多（表3），這樣，在同樣大小的蓄電池殼中的極板片數(shù)增加，與電解液的接觸面積增大，使蓄電池電荷量增加，降低了內(nèi)阻，提高了蓄電池的輸出功率。

表3 6-QW-80低溫蓄電池與其它公司同規(guī)格產(chǎn)品對比

另一方面，引起蓄電池在低溫下工作能力顯著降低的主要原因是極板過早鈍化。在低溫大電流放電時，正負極板上發(fā)生的反應生成Pb2+離子，Pb2+離子與硫酸反應，生成大體積的PbSO4覆蓋于海綿狀鉛的表面，過早出現(xiàn)鈍化之狀，使得硫酸不能順利擴散到多孔電極的深處，電極內(nèi)部殘留較多的未反應物質(zhì)；同時，放電反應產(chǎn)物PbSO4使蓄電池的內(nèi)阻隨放電而增大。

為避免負極板放電時出現(xiàn)連續(xù)的PbSO4鈍化層，調(diào)整負極板鉛膏中膨脹劑的配比。膨脹劑是按一定比例的木素磺酸鈉、BaSO4、碳黑的混合物，這些物質(zhì)吸附在鉛表面，在蓄電池放電期間，遏制PbSO4鈍化層的沉積，輔助生成多孔的硫酸鉛層，改善了負極活性物質(zhì)沿厚度方向的均勻程度，推遲了鉛電極的鈍化，有利于鉛電極的深度放電。

通過對寒區(qū)和環(huán)境艙的冷起動試驗數(shù)據(jù)分析，如要保證起動過程中發(fā)動機的最低拖動轉(zhuǎn)速達到120 r/min，則蓄電池在起動過程中的最低端電壓必須在7.0 V以上，起動過程中的平均電流大約在500 A左右。另外，發(fā)動機起動時間通常小于10 s，但有些失調(diào)的發(fā)動機起動時間可能需要30 s。因此，新開發(fā)的蓄電池必須達到：蓄電池在-41 ℃的低溫環(huán)境下冷凍24 h后取出，在5 min內(nèi)以510 A電流放電30 s后，蓄電池的端電壓不低于7.2 V。

對改進后的蓄電池進行-41 ℃低溫放電試驗（圖3），放電電流為510 A，放電30 s后蓄電池的端電壓為7.409 V，蓄電池性能達到預期要求。

圖3 改進后蓄電池-41 ℃低溫放電曲線

4.2 發(fā)動機軟件標定優(yōu)化

通過環(huán)境艙試驗，采集起動過程中發(fā)動機的噴油量、軌壓、起動轉(zhuǎn)速等參數(shù)，由發(fā)動機廠繼續(xù)優(yōu)化如下低溫冷起動時的參數(shù)：①起動過程噴油量；②起動過程中主噴油量和軌壓及點火提前角；③起動過程的預噴油量、軌壓、點火提前角；④預熱控制。

圖4表明：發(fā)動機軟件標定重新優(yōu)化后，4 s后發(fā)動機就已經(jīng)起動。由此可見，通過優(yōu)化發(fā)動機低溫下的參數(shù)，有利于發(fā)動機低溫冷起動性能。

圖4 發(fā)動機標定優(yōu)化后的-30℃低溫冷起動試驗記錄曲線

4.3 冷卻液加熱裝置工作時間優(yōu)化

通過試驗驗證，適當延長冷卻液加熱裝置工作時間能有效改善發(fā)動機起動性能，將冷卻液加熱裝置的工作時間由原來的15 min延長到25 min。從圖2可以看出工作到25 min后冷卻液加熱裝置的出水溫度達到67.30 ℃，達到冷卻液加熱裝置設(shè)定的預熱平衡溫度，較15 min時的溫度提高了近28 ℃，效果比較明顯。

4.4 減小起動回路電阻

通過上述試驗驗證，起動機在低溫冷起動時起動電流很大，-41 ℃時平均起動電流在500 A左右。由于起動回路中線束存在一定的線阻，從蓄電池到起動機之間的線路存在的壓降較大，因此適當減短導線長度或增大導線的線徑都可以降低線路的壓降。該軍用越野車的蓄電池和起動機位置已經(jīng)確定，導線的長度無法減短，導線的線徑可由原來的20 mm2更改到30 mm2，起動回路的線阻可降低0.0011 Ω，壓降可減少0.55 V。

4.5 增加蓄電池保溫裝置

由于鉛酸蓄電池受溫度的影響比較大，溫度越低，蓄電池的容量和放電性能越差，因此，可以考慮給蓄電池增加保溫裝置，在低溫環(huán)境下可延緩蓄電池電解液溫度下降的速度。

蓄電池的保溫罩主要采用密胺泡沫塑料（三聚氰胺）的材料，該材料具有良好的隔熱、保溫效果。將包裹保溫罩的蓄電池和未包裹保溫罩的蓄電池同時放在低溫箱內(nèi)（溫度設(shè)為-41℃）冷凍24 h，并實時采集蓄電池電解液的溫度。如圖5所示。

圖5 蓄電池溫度對比

冷凍12 h，包裹保溫罩的蓄電池溫度為-28.4 ℃，未包裹的蓄電池溫度為-38.8 ℃；冷凍24 h，包裹保溫罩的蓄電池溫度為-36.9 ℃，未包裹的蓄電池溫度為-40.9 ℃。由此可見，通過增加蓄電池保溫罩可以有效延緩蓄電池電解液溫度的降低。

5 總結(jié)

后續(xù)對該軍用越野車進行了多次-30 ℃和-41 ℃溫度下的整車低溫冷起動試驗，發(fā)動機均能順利起動。經(jīng)過上述分析及驗證表明：①選用低溫蓄電池對冷起動有效；②延長冷卻液加熱裝置的工作時間，有效提升發(fā)動機冷卻液溫度，可有效改善發(fā)動機起動條件；③發(fā)動機低溫起動標定數(shù)據(jù)對冷起動影響很大；④適當增大起動回路線徑，降低起動回路阻抗，可有效改善起動條件；⑤給蓄電池增加保溫裝置，可有效延緩蓄電池內(nèi)部電解液溫度的降低，提高蓄電池在低溫環(huán)境下的性能。

［1］ 孫文政，宋偉，呂傳志. 柴油車冷起動性能的研究［J］.輕型汽車技術(shù)，2016（6）：10-12.

［2］ GB/T 12535—2007，汽車起動性能試驗方法［S］.

［3］ 張榮華，韓大偉，趙潔，等. 重型汽車低溫起動措施研究及應用［J］. 汽車電器，2014（9）：56-60.

［4］ 柯河清，李曉蓮，魯寶全，等. 商用柴油車冷起動系統(tǒng)研究［J］. 汽車電器，2015（7）：12-14.

［5］ GB/T 5008.2—2013，起動用鉛酸蓄電池 第2部分：產(chǎn)品品種規(guī)格和端子尺寸、標記［S］.

（編輯 楊 景）

Reason Analysis and Improvement Methods of Low Temperature Start Issue on Diesel Engine

WU Fang-ming， ZHENG Yan-gang， SUN Can， SHAO Bo， SHI Ming-hui
（Electronic Electric & Air Condition Department， Beijing Automotive Technology Center， Beijing 101300， China）

To improve cold start performance of a military off-road vehicle in the low temperature environment of -30 ℃～-41℃，through multiple low temperature start test and collection of the starting current， engine speed， coolant temperature and other parameters， the test data is analyzedto determine reasons for difficult starting at a low temperature. Through optimizing the low temperature calibration data of engine ECU， choosing battery with better low-temperature performance， and reducing the voltage drop of starting circuit， the low temperature starting performance of the military off-road vehicle is improved.

battery； low-temperature； cold start

U463.6

A

1003-8639（2017）04-0024-05

2016-11-17

吳放明（1979-），男，江西萍鄉(xiāng)人，工程師，主要從事汽車電器設(shè)計工作。