王世勛

中國人民解放軍陸軍77251部隊 西藏自治區(qū)林芝市 860501

1 引言

海拔平均在4000米以上的西藏地區(qū)是典型的高原地帶，這里的空氣稀薄，并且有很大的晝夜溫差，路況惡劣，很多路都建在山間懸崖邊，坡陡[1]。氣候變化無常，冬季氣溫低，降雪時間長，多霜凍。夏季降雨量大，路面經(jīng)常處于泥濘狀態(tài)，并易發(fā)生泥石流、山體滑坡等自然災(zāi)害[2]。其惡劣的氣候條件特點如下：

（1）氣候溫度低。大氣溫度隨著海拔的升高而下降，據(jù)統(tǒng)計，海拔每上升100米，氣溫下降0.6度，對海拔平均在4000米以上的西藏地區(qū)來說，其溫度一般要比內(nèi)地低20度以上。冬季時間漫長。

（2）空氣稀薄，氣壓低。和溫度類似，海拔越高，空氣密度和大氣壓力越低，據(jù)統(tǒng)計，海平面空氣密度約為1.2（kg.m3），而當(dāng)海拔達到4000米時，密度則下降到了0.8（kg.m3），下降幅度達到33%，氣壓下降幅度則超過40%。

（3）地形復(fù)雜。高原地區(qū)由于人員稀少，道路交通狀況普遍比較惡劣，道路狹窄、碎石眾多，多為易發(fā)生泥石流、山體滑坡等自然災(zāi)害的凍土、山間河道、峽谷路況。

近些年來，我國在西藏等地區(qū)部署的兵力裝備越來越多，軍事活動越加頻繁。軍用車輛一般搭載柴油發(fā)動機，在西藏地區(qū)惡劣的氣候條件下行駛很容易導(dǎo)致發(fā)動機啟動困難、燃油經(jīng)濟性下降，并造成機件的損壞，給軍事活動帶來很大的不變。

在此背景下，本文研究柴油機在高寒地區(qū)容易發(fā)生的一些導(dǎo)致其啟動困難問題，并針對這些問題提出解決措施，對延長發(fā)動機維修周期、提高發(fā)動機的使用壽命，防止行車事故，提高軍事活動的效率具有重要意義。

2 柴油發(fā)動機在高寒地帶可能發(fā)生的問題

2.1 發(fā)動機性能變化

2．1．1 發(fā)動機功率下降

空氣密度和氣壓隨著海拔的增大而越來越低，發(fā)動機的進氣量也會隨之減小，在功率下將的同時，其對燃油的消耗也明顯增加。目前，我國多使用進口柴油發(fā)動機，例如NT855-C280康明斯增壓發(fā)動機，該發(fā)動機正常工作海拔為3600m以內(nèi)，當(dāng)在超過海拔3600米以上地區(qū)工作是，每上升300米，燃油消耗率增加2%～4%，發(fā)動機功率下將 2% ～ 3%[3]。

2．1．2 扭矩下降

高海拔的氣候條件會導(dǎo)致柴油發(fā)動機低速時可利用的廢氣能量減小，增壓器轉(zhuǎn)速下降，從而造成發(fā)動機進氣量不足，最終導(dǎo)致發(fā)動機輸出扭矩小于標定值，適應(yīng)性系數(shù)減小。據(jù)統(tǒng)計，當(dāng)海拔為0米時，發(fā)動機的最大扭矩比標定功率點對應(yīng)的值增加約15%，而當(dāng)海拔達到4500米時，該數(shù)值將減小至10%，并在標定轉(zhuǎn)速75%處出現(xiàn)最大扭矩點[4]。

2．1．3 發(fā)動機冒黑煙

在高寒地帶，由于空氣稀薄，發(fā)動機進氣量明顯減小。由于過量空氣系數(shù)的下降，造成發(fā)動機燃燒不充分，未充分燃燒的的燃料將會隨著發(fā)動廢氣排除，從而導(dǎo)致發(fā)動機冒黑煙，并且發(fā)動機排氣溫度也會隨之上升。相關(guān)實驗表明，海拔每升高1000米，在增壓發(fā)動機增油量不變的情況下，發(fā)動機的排氣溫度將升高20至10度。

2．1．4 增壓器轉(zhuǎn)速增加

目前增壓發(fā)動機應(yīng)用越來越多，在高寒地區(qū)可采用增壓技術(shù)對損失的功率進行補償，但是隨之而來的問題是增壓器的轉(zhuǎn)速也將隨著海拔的升高而增大，當(dāng)海拔達到一定高度時，將會導(dǎo)致增壓器超速。據(jù)實驗統(tǒng)計，海拔每上升1000米，增壓器轉(zhuǎn)速將會提高5%，而通常情況下增壓器的極限轉(zhuǎn)速是其額定轉(zhuǎn)速2.5倍左右[5]。

2.2 發(fā)動機啟動困難常見原因

在高寒地帶，發(fā)動機故障模式和平原地區(qū)有所不同，泄露、燒蝕、啟動困難等嚴重的致命的故障增多，對軍事活動造成了很大的不變。

與汽油發(fā)動機類似，一般四沖程柴油機也包括進氣、壓縮、燃燒膨脹、排氣四個沖程。沖柴油機要正常啟動必須具備以下條件：

（1）壓縮行程結(jié)束時，氣缸內(nèi)的空氣溫度不能低于200攝氏度，以達到柴油自燃的溫度。

（2）柴油機機體溫度不能低于20攝氏度。

（3）壓縮沖程結(jié)束時氣缸內(nèi)氣壓不能低于3Mpa。

（4）柴油機啟動轉(zhuǎn)速高于150r/min，才能保證燃油能順利霧化。

柴油發(fā)動機在高寒地區(qū)無法正常啟動主要有一下幾方面原因：

圖1 四沖程柴油發(fā)動機工作原理

2．2．1 啟動時間太短

柴油機無法正常啟動的一個重要原因就是蓄電池儲電和和放電能力的下降。蓄電池內(nèi)阻和放電能量和溫度的曲線關(guān)系如圖2所示，在環(huán)境溫度較低時，氣溫每下降一度，蓄電池緩慢放電容量下降約1.5%。當(dāng)溫度下降到零下20°時，蓄電池的容量幾乎減半[7]。所以在高原環(huán)境中，一般的蓄電池所儲存的能源不能提供多次、長時間的點火啟動，柴油機機體溫度無法達到啟動溫度（20°）以上。

2．2．2 空氣密度、溫度低

空氣密度、溫度低是柴油機無法正常啟動的另一重要原因。海拔超過4000米的高寒地帶常年處于低溫環(huán)境中，晝夜溫差大，早晚溫差可達到40°。空氣稀薄，相對于平原地區(qū)，高寒地帶的空氣密度和氣壓可下降約40%。氣壓下降、溫度低導(dǎo)致柴油機在進氣行程中充氣量不足，經(jīng)過多次點火啟動后，在壓縮行程結(jié)束時，氣缸內(nèi)低溫空氣很難達到燃油自然溫度。同時，較低的空氣密度易造成氣缸內(nèi)混合氣體充氣量不足，空氣壓力無法達到3Mpa以上，造成啟動困難。

圖2 蓄電池內(nèi)阻和能力隨溫度變化示意圖

2．2．3 啟動電機功率過小

在高寒地區(qū)，柴油機潤滑機油粘度變大，活塞、活塞環(huán)、氣缸與其他摩擦副之間的摩擦阻力增大。一般情況下，柴油原配啟動電機功率在4Kw以下，導(dǎo)致柴油機啟動轉(zhuǎn)速達不到最低的150r/min的啟動要求，從而無法正常啟動。

3 解決方法

3.1 增長啟動時間

3．1．1 高性能固態(tài)酸蓄電池

在高寒地區(qū)可使用與普通蓄電池結(jié)構(gòu)不同的高性能固態(tài)酸蓄電池[8]，這種電池在低溫時不會出現(xiàn)液態(tài)酸冰凍現(xiàn)象，其充電速度、冷啟動功率等指標具有明顯由于普通蓄電池，在零下40度也可正常工作，解決了低溫狀態(tài)下蓄電池?zé)o法提供長時間、多次啟動的難題，尤其是柴油機機體以及進氣管道內(nèi)的空氣充分預(yù)熱時，尤其需要這種高性能固態(tài)酸蓄電池。

3．1．2 保溫處理

在高寒地區(qū)可采用一些措施對蓄電池進行保溫處理，保證在低溫條件下電池能有穩(wěn)定的電流輸出和能量儲備，提升了柴油機在低溫時啟動的可能性。

3.2 增大啟動電機功率

把柴油機原裝的4Kw小功率電機更換為6Kw以上的大功率啟動電機，柴油機機體溫度會在柴油機啟動反復(fù)點火時不斷升高，導(dǎo)致活塞、活塞環(huán)、氣缸以及其他摩擦副之間的機油溫度隨之升高，機油粘度下降，減小了啟動阻力矩，提高了柴油機的啟動轉(zhuǎn)速，增加了正常啟動的可能性。

3.3 增加預(yù)熱裝置

由于柴油機難以啟動很大一部分原因是低溫導(dǎo)致的，可以在機體、進氣管道等部位加裝電加熱預(yù)熱裝置。啟動之前，通過該裝置對柴油機機體、進氣道內(nèi)的空氣進行預(yù)加熱，提升機體和進氣道內(nèi)空氣溫度。當(dāng)壓縮行程結(jié)束時，氣缸被氣體溫度更易達到燃料自燃點。使用預(yù)熱裝置時預(yù)熱時間一般不要超過15s，以免損壞預(yù)熱裝置且浪費電量。

3.4 噴射啟動液

乙醚燃點比較低，3MPa條件下只有57攝氏度左右。當(dāng)柴油機轉(zhuǎn)動時，噴射一定比例的乙醚啟動液在空氣濾芯器進氣口處，柴油機不需要達到最低啟動轉(zhuǎn)速就能正常點火啟動，有效地改善了啟動性能。需要注意的是，啟動液不要直接噴在預(yù)熱裝置上且一次噴射量不得超過空氣中乙醚含量的4%。，否則易引起爆炸。

4 結(jié)語

本文針對軍用車輛柴油發(fā)動機在高寒地區(qū)啟動困難的問題，研究了導(dǎo)致該問題的原因，并分析了解決方法，配合定期的維護可有效地提升柴油發(fā)動機在高寒地帶的可靠性，降低事故率，為我國在高原地區(qū)的軍事行動提供有力保障。