趙 鼎， 宗陸宇， 趙志剛， 蔣海波， 顧 辰

(1.中國北方車輛研究所，北京 100072；2.陸軍裝備部，北京 100072)

輪式軍用車輛低溫起動性能研究及模擬試驗(yàn)分析

趙 鼎1， 宗陸宇1， 趙志剛2， 蔣海波1， 顧 辰1

(1.中國北方車輛研究所，北京 100072；2.陸軍裝備部，北京 100072)

目前,軍用車輛的動力裝置主要是柴油發(fā)動機(jī)，低溫起動性能是其環(huán)境適應(yīng)能力的一項(xiàng)重要指標(biāo).針對低溫環(huán)境下，發(fā)動機(jī)冷起動的技術(shù)特征，從起動阻力、燃燒狀態(tài)和起動力矩3方面分析了導(dǎo)致起動困難的關(guān)鍵因素；通過試驗(yàn)室模擬低溫環(huán)境，對某輪式車輛進(jìn)行常溫與低溫狀態(tài)下的起動性能比對試驗(yàn)，研究分析了低溫起動失效現(xiàn)象，提出了改善車輛的低溫起動性能的措施.

輪式軍用車輛；起動性能；模擬低溫環(huán)境；試驗(yàn)分析

目前，世界各國絕大多數(shù)的高機(jī)動性軍用車輛都將柴油發(fā)動機(jī)作為動力來源[1]，對于軍用車輛關(guān)注的重點(diǎn)一般是以高溫環(huán)境下的工作和貯存性能為主，并未對低溫條件下的車輛性能做明確約束.但從實(shí)現(xiàn)全地域機(jī)動性能的角度出發(fā)，低溫環(huán)境的適應(yīng)性又成為衡量軍車可靠性的重要指標(biāo)之一.

區(qū)別于履帶車輛會采用輔助加溫的措施來實(shí)現(xiàn)嚴(yán)寒地區(qū)的起動，通常情況下,輪式軍用車輛不會搭載加溫器作為起動輔助系統(tǒng).因而,分析柴油機(jī)低溫冷起動時的技術(shù)狀態(tài)以及對影響其起動性能的因素進(jìn)行研究，可以充分發(fā)揮柴油機(jī)可靠性高、經(jīng)濟(jì)性好、升功率大等優(yōu)勢，有利于優(yōu)化輪式軍用車輛在低溫條件下的使用性能.

1 低溫起動的機(jī)理分析

柴油發(fā)動機(jī)在低溫環(huán)境下順利起動，必須滿足以下條件[2]：

(1)滿足低溫適用性的潤滑油、冷卻液、柴油機(jī)燃油等；

(2)合理選用起動電源；

(3)功率充足且工況良好的起動馬達(dá).

或是采用加溫器等有效的起動輔助系統(tǒng)，但是在輪式車輛的設(shè)計研制中，較少采用類似裝置.

2 低溫環(huán)境對柴油發(fā)動機(jī)的影響

從使用方面分析，造成車輛低溫起動困難的影響因素如圖1所示.

圖1 低溫起動性能影響因素

2.1 起動阻力

發(fā)動機(jī)由本體中的曲軸連桿機(jī)構(gòu)、聯(lián)動機(jī)構(gòu)、氣體分配機(jī)構(gòu)，以及增壓器、供給系、潤滑系、冷卻加溫系、空氣起動系等部分組成[3].由于各機(jī)構(gòu)部件加工材質(zhì)的差異，其膨脹系數(shù)各不相同，低溫環(huán)境導(dǎo)致的材料形變使得發(fā)動機(jī)曲軸與軸瓦等摩擦面之間配合間隙減小[4].此外，溫度降低會導(dǎo)致潤滑油黏度增大、流動性差，易造成各摩擦面之間供油不足，摩擦阻力增大，曲軸旋轉(zhuǎn)阻力矩也增加，影響起動性能.可見，低溫環(huán)境所導(dǎo)致的柴油發(fā)動機(jī)配合間隙減小、潤滑油黏度增大，是引起起動阻力變大的主要因素.

2.2 燃燒狀態(tài)

柴油發(fā)動機(jī)靠壓縮自燃[5].在典型的四沖程工作循環(huán)中，活塞壓縮的主要功用是提高缸內(nèi)空氣溫度，為燃料自行燃燒做準(zhǔn)備，在起動過程中，缸內(nèi)氣體必須達(dá)到一定的溫度和壓力.車輛置于外部低溫環(huán)境時，缸內(nèi)氣體與缸壁由于熱交換造成較大熱量損失，導(dǎo)致壓縮終點(diǎn)溫度和壓力均無法達(dá)到起動的必要條件.而低溫環(huán)境又導(dǎo)致發(fā)動機(jī)燃油的黏性和密度均增大，不利于其蒸發(fā)和霧化，氣缸內(nèi)部形成的混合氣體不均勻，同時，未蒸發(fā)的燃油會附著在缸體內(nèi)表面，造成燃燒不充分，積碳嚴(yán)重[6].研究表明，當(dāng)溫度從40 ℃降到-10 ℃時，柴油的黏度提高83 %，密度增大8 %.

在柴油發(fā)動機(jī)工作中，把進(jìn)入氣缸的空氣溫度T1可看作是柴油機(jī)壓縮始點(diǎn)的氣體溫度.考慮到柴油機(jī)壓縮過程中非等溫、非絕熱的真實(shí)狀態(tài)[7]，其熱力方程通常用公式pVn=const近似表示，其中，n為多變指數(shù).換算為發(fā)動機(jī)壓縮終點(diǎn)氣體溫度T2與壓縮始點(diǎn)氣體溫度T1的關(guān)系，則表達(dá)式如下.

(1)

柴油機(jī)在低溫條件下起動時轉(zhuǎn)速低，難以形成活塞環(huán)與氣缸壁之間的密封油膜，壓縮混合氣體的泄露量增加、壓縮比下降[8]；同時,低溫狀態(tài)下的各零部件和氣缸內(nèi)的低溫空氣，使得柴油機(jī)在壓縮過程中存在有較大熱量損失.有數(shù)據(jù)表明，在壓縮始點(diǎn)吸入的空氣溫度低于-20 ℃時，壓縮終點(diǎn)氣體溫度小于430 ℃，即小于正常的著火溫度，噴入氣缸的燃料難以燃燒，無法滿足其正常起動的要求.以上原因的綜合作用使得柴油機(jī)在低溫環(huán)境中進(jìn)行冷起動時，壓縮終點(diǎn)溫度T2無法達(dá)到混合燃?xì)獾闹饻囟?，?dǎo)致起動失效.

2.3 起動力矩

起動電機(jī)的作用是將蓄電池的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能用以驅(qū)動發(fā)動機(jī)飛輪旋轉(zhuǎn)起動的重要部件[9].由起動力矩公式可知，起動力矩與電流之間的關(guān)系為

(2)

圖2 不同溫度下SGB與Tem的關(guān)系

因此，在低溫環(huán)境中起動柴油發(fā)動機(jī)，必然會引起電機(jī)起動力矩的減小，達(dá)不到最低轉(zhuǎn)速要求，柴油機(jī)難以穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn).

以上是針對輪式車輛在沒有加溫輔助系統(tǒng)條件下冷起動性能難點(diǎn)的分析：置于外界低溫環(huán)境中時，起動阻力變大、燃燒狀態(tài)劣化和起動力矩減小，均是導(dǎo)致柴油發(fā)動機(jī)起動失效的重要原因.

3 環(huán)境模擬條件下的起動性能比較

外場試驗(yàn)受自然環(huán)境約束較大，尤其是考核車輛的環(huán)境適應(yīng)性能時，溫度條件波動大，重復(fù)性差，難以進(jìn)行定量的試驗(yàn)研究.因此,選取某輪式軍用車輛作為研究對象，在環(huán)境模擬試驗(yàn)室中進(jìn)行常溫與低溫狀態(tài)下的起動性能比較.

3.1 常溫狀態(tài)下的起動性能

將試驗(yàn)樣車駛?cè)氕h(huán)境試驗(yàn)室并制動，連接車輛排煙管，安裝電流采集器，以20 ℃作為常溫條件，保溫24小時后，起動車輛，獲得起動電流曲線如圖3所示，車輛一次起動成功.

3.2 低溫狀態(tài)下的起動性能

3.2.1 傳感器布置

依據(jù)該樣車使用區(qū)域的特殊性，應(yīng)使其滿足-25 ℃低溫工作性能的需求.

設(shè)定以-25 ℃作為低溫條件進(jìn)行冷啟動試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)樣車的實(shí)際狀況確定測點(diǎn)位置，焊接輔座，或在適當(dāng)位置處開孔，安裝傳感器.

圖3 常溫環(huán)境下的起動曲線

確定監(jiān)測參數(shù)如表1所示.

表1 測點(diǎn)溫度監(jiān)測參數(shù)

3.2.2 低溫環(huán)境模擬

防止產(chǎn)生溫度沖擊的效應(yīng)，控制溫度變化速率不超過3 ℃/min[10].2小時后，環(huán)境溫度達(dá)到設(shè)定參數(shù)值-25 ℃(誤差范圍控制在±2 ℃之間)，10小時后，試驗(yàn)樣車各測點(diǎn)監(jiān)測參數(shù)均趨于穩(wěn)定狀態(tài)，與環(huán)境溫度一致，之后開始進(jìn)入保溫階段，并在此條件下，靜置24小時.因?yàn)槟承┭b置、系統(tǒng)在溫度穩(wěn)定后，其性能還會繼續(xù)惡化，因此，需要在低溫環(huán)境下有更長的暴露時間.

低溫環(huán)境下各監(jiān)測參數(shù)的溫度變化情況如圖4所示.

圖4 監(jiān)測參數(shù)溫度變化情況

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析及改善措施

依據(jù)GJB59.3-1987《裝甲車輛試驗(yàn)規(guī)程 起動性能試驗(yàn)》規(guī)定，按照操作程序起動發(fā)動機(jī)且累計起動次數(shù)不超過3次.經(jīng)檢查，樣車起動失效，低溫環(huán)境下的起動失效曲線見圖5.測得最大起動電流為471.13 A，與常溫狀態(tài)相比較，減少約20 %.

圖5 低溫環(huán)境下的起動失效曲線

原試驗(yàn)樣車搭載兩塊110 Ah蓄電池串聯(lián)為整車供電.為使樣車應(yīng)對低溫環(huán)境，對樣車進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，并且在樣車側(cè)面箱體內(nèi)增加備用電源，即與原車同型號的兩塊蓄電池，串聯(lián)后再與原車電源并聯(lián)，并設(shè)有電源控制系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)是否介入備用電源.改進(jìn)后樣車可以低溫起動.

4 結(jié) 論

通過分析柴油發(fā)動機(jī)低溫起動的技術(shù)特征，對可能引起柴油機(jī)低溫起動困難的因素進(jìn)行分別討論，并且通過環(huán)境試驗(yàn)來模擬低溫條件對柴油機(jī)冷起動的影響，從而得出結(jié)論如下：

1)在低溫冷起動條件下，柴油發(fā)動機(jī)技術(shù)狀態(tài)主要具有起動阻力大、燃燒狀態(tài)差和起動力矩小等特征.

2)根據(jù)車輛適用溫度范圍的要求，合理選用油料和耐低溫蓄電池，從輔助材料方面保障柴油機(jī)低溫冷起動性能.

3)產(chǎn)品樣車設(shè)計中，可在適當(dāng)位置預(yù)留部件升級接口，用以改善車輛的低溫起動性能.除可增加備用電源等措施外，還可以在寒區(qū)加裝循環(huán)加熱系統(tǒng)，通過燃油加熱器將冷卻液加熱后再循環(huán)，以此加熱發(fā)動機(jī)，達(dá)到低溫條件下起動發(fā)動機(jī)的目的.

[1] 張均享．高機(jī)動性運(yùn)載車輛動力系統(tǒng)[M]．北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社，2000．

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TheResearchandSimulationTestontheLowTemperatureStartingoftheWheeledMilitaryVehicles

ZHAO Ding1， ZONG Lu-yu1， ZHAO Zhi-gang2， JIANG Hai-bo, GU Chen1

(1.China North Vehicle Research Institute, Beijing 100072,China;2.Army Equipment Depaitment,Beijing 100072,China)

At present, most of wheeled military vehicles use diesel engines， low temperature starting performance is one of the important vehicles environmental adaptability. In the eight of the technical characteristics of the engine low temperature starting, analyzed the key factors that influences low temperature starting from the aspects of starting resistance, combustion condition and starting torque. By comparison of the starting performance tests under the normal temperature and simulated low temperature，solved the starting failure under low temperature and provided some of methods improving the starting performance.

wheeled military vehicles; cold starting performance; simulated low temperature environment；test analysis

1009-4687(2017)04-0045-04

2017-09-26

趙 鼎(1987-),男，研究生，研究方向?yàn)檐囕v工程.

TJ811

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