(山推工程機(jī)械股份有限公司,山東 濟(jì)寧 272073)
工程機(jī)械應(yīng)為范圍廣且常工作在最惡劣的環(huán)境條件下(例如沙漠、礦山、高原等),隨著工程機(jī)械整體技術(shù)的不斷發(fā)展,工程機(jī)械不斷挑戰(zhàn)各種極端工況,包括極端高熱、多塵、高濕、極寒等作業(yè)工況。一些工程機(jī)械(例如推土機(jī)、平地機(jī)、裝載機(jī)等)根據(jù)工程需求,需要常年在一些高緯度地區(qū)以及高原等寒冷地區(qū)工作,此時,良好的冷啟動性能是低溫寒冷區(qū)域工程機(jī)械正常作業(yè)的必要前提。特別是一些國家或地區(qū)(如俄羅斯、立陶宛等國),冬季環(huán)境溫度常常在-35℃以下,屬于極寒環(huán)境,需要工程機(jī)械采取相應(yīng)措施來保證整車具有良好的啟動性能,來保證整車在寒冷工況下的正常作業(yè)。
工程機(jī)械的動力源通常為柴油發(fā)動機(jī),柴油機(jī)的啟動性能對整車使用的可靠性、方便性、耐久性和燃料經(jīng)濟(jì)性等都具有一定的影響,啟動不可靠是整機(jī)不可靠的表現(xiàn)之一。啟動不便,則增加勞動者勞動強(qiáng)度,大大降低工程機(jī)械的機(jī)動性,并且啟動磨損同樣占柴油機(jī)總磨損的很大部分,因此快速啟動后使發(fā)動機(jī)過渡到正常工作階段能夠大大減少啟動磨損。
柴油發(fā)動機(jī)屬于壓燃式內(nèi)燃機(jī),柴油通過噴油器噴入燃燒室后分散成小油滴,通過加熱、蒸發(fā)、擴(kuò)散后形成油氣混合氣,在一定的溫度和壓力條件下,油氣混合氣著火,從而使發(fā)動機(jī)啟動。
因此發(fā)動機(jī)著火啟動需要的條件有:①形成可燃混合氣,在可燃混合氣中,燃料蒸汽與空氣比例在一定的范圍內(nèi),稱為著火界限;②可燃混合氣必須加熱到一定溫度,稱之為著火溫度。
一般發(fā)動機(jī)在不增加冷啟動輔助措施時可保證發(fā)動機(jī)在-15℃時正常啟動,當(dāng)溫度低于-15℃時,則需要增加相關(guān)冷啟動裝置,通常國內(nèi)工程機(jī)械環(huán)境適應(yīng)溫度一般為-35~50℃,而國外俄羅斯等極寒地區(qū)冬季環(huán)境溫度常常會低于-35℃。
造成在冬季或寒冷地區(qū)氣溫較低時發(fā)動機(jī)啟動困難的原因主要有以下幾個方面。
1)寒冷或極寒氣溫條件下,發(fā)動機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)阻力矩和啟動轉(zhuǎn)速在低溫條件下受機(jī)油黏度的影響,隨著外界溫度降低,發(fā)動機(jī)機(jī)油黏度增大,流動性能變差,甚至凝結(jié),從而加大發(fā)動機(jī)曲軸的轉(zhuǎn)動阻力矩,使發(fā)動機(jī)啟動轉(zhuǎn)速降低,造成發(fā)動機(jī)啟動困難。
2)柴油發(fā)動機(jī)為壓縮點(diǎn)火,在低溫條件下易造成其進(jìn)氣溫度和壓力都過低,同時,環(huán)境溫度過低,柴油霧化效果差,機(jī)體散熱快,氣缸的密封性較差,壓縮比降低,發(fā)動機(jī)難于啟動。
3)工程機(jī)械通常由啟動馬達(dá)帶動發(fā)動機(jī)啟動,使發(fā)動機(jī)具有一定的啟動轉(zhuǎn)速,壓縮油氣混合氣著火。外界氣溫過低時,蓄電池的輸出能力降低,蓄電池電解液的黏度增大,向極板的滲透能力下降,內(nèi)電阻增加,使蓄電池容量及端電壓下降,甚至不能放電,電壓降低使發(fā)動機(jī)的啟動馬達(dá)得不到所需要的輸入功率,易造成啟動困難。
發(fā)動機(jī)進(jìn)氣預(yù)熱可分為兩種:電加熱進(jìn)氣預(yù)熱和火焰進(jìn)氣預(yù)熱。通常進(jìn)氣預(yù)熱與火焰預(yù)熱裝置均為發(fā)動機(jī)廠家配備,作為發(fā)動機(jī)的選配功能,主機(jī)廠在選用發(fā)動機(jī)時根據(jù)主機(jī)的適用區(qū)域工況選擇是否需要配置進(jìn)氣預(yù)熱裝置。
電加熱進(jìn)氣預(yù)熱其原理是通過電加熱發(fā)動機(jī)內(nèi)置在進(jìn)氣歧管部位的加熱格柵從而對發(fā)動機(jī)進(jìn)氣進(jìn)行預(yù)熱,其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。電加熱格柵原理上是串聯(lián)的電阻,通過螺栓固定在進(jìn)氣歧管通道上,格柵通電加熱后,進(jìn)氣歧管中的空氣經(jīng)過格柵后被加熱。電加熱進(jìn)氣預(yù)熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,應(yīng)用廣泛,3L 以上柴油發(fā)動機(jī)上普遍采用在進(jìn)氣歧管處增加電加熱格柵,工作不消耗氧氣,不增加排放。其缺點(diǎn)是每次啟動加熱需要消耗大量蓄電池電能,長時間不能啟動容易造成蓄電池虧電。
圖1 柴油機(jī)進(jìn)氣預(yù)熱格柵結(jié)構(gòu)
火焰預(yù)熱即通過電熱塞將燃油點(diǎn)燃的方式來加熱進(jìn)氣,圖2 所示為某型號火焰預(yù)熱裝置結(jié)構(gòu)圖,其通過蓄電池供電加熱電熱塞,點(diǎn)燃燃油,從而加熱進(jìn)氣歧管中的空氣?;鹧孢M(jìn)氣預(yù)熱結(jié)構(gòu),燃油從燃油濾清器接口取用,方便快捷,燃油也可從燃油箱預(yù)留接口取用?;鹧孢M(jìn)氣預(yù)熱要求對供油進(jìn)行精確控制,防止供給過多的燃油消耗過多的氧氣以及產(chǎn)生過多的廢氣。火焰進(jìn)氣預(yù)熱會對發(fā)動機(jī)的排放產(chǎn)生影響。
圖2 某火焰進(jìn)氣預(yù)熱裝置結(jié)構(gòu)
一般發(fā)動機(jī)廠家進(jìn)氣預(yù)熱裝置為選配,用戶即整車廠需要根據(jù)車輛的使用環(huán)境進(jìn)行選用或不選用進(jìn)氣預(yù)熱裝置。進(jìn)氣預(yù)熱結(jié)構(gòu)簡單,易于安裝。一般發(fā)動機(jī)在環(huán)境溫度低于-12℃時則要求增加進(jìn)氣預(yù)熱輔助啟動裝置,在環(huán)境溫度低于-18℃時則增加其他輔助啟動措施,例如燃油加熱、電池加熱等輔助啟動裝置,以保證發(fā)動機(jī)不至于在低溫冷啟動時間過長,過度磨損。
乙醚啟動原理是向進(jìn)氣管內(nèi)噴入燃點(diǎn)低的啟動液—乙醚,其加熱原理如圖3 所示,隨發(fā)動機(jī)進(jìn)氣進(jìn)入燃燒室,由于乙醚著火溫度低(如在3.2MPa 的壓力下,柴油的著火溫度為177~207℃,乙醚的著火溫度為57℃)從而保證柴油機(jī)在較低的溫度下順利啟動。
圖3 乙醚啟動結(jié)構(gòu)
乙醚啟動注意事項(xiàng):每次注入起動液量一般為10~25ml,不能過量;起動后不可立即起步,須經(jīng)預(yù)熱后再起步;不準(zhǔn)加入油箱,不能與柴油混合使用,以免產(chǎn)生氣阻;起動液不要存放過久,存放的容器要密封;起動液不要與其他油混放在一起,以免出差錯;起動液不宜在50℃以上環(huán)境下保存,注意防火,并有專人保管;操作時不可粗心大意,以防意外起火。
一套乙醚啟動成本通常在200~300 元左右,乙醚啟動低溫冷起動方法可適應(yīng)最低環(huán)境溫度為-40℃,但對柴油機(jī)損害大,起動液易著火且有爆炸危險,故盡量限制使用。
燃油加熱器其加熱原理時使用獨(dú)立的燃油加熱器加熱防凍液,在水泵作用下,加熱而后的水在發(fā)動機(jī)水道中流動,加熱發(fā)動機(jī)缸體和機(jī)油,降低發(fā)動機(jī)啟動阻力,提高壓縮終了壓力,使發(fā)動機(jī)易于啟動。其工作原理如圖4 所示。燃油加熱器從燃油箱取油,燃燒產(chǎn)生的熱量加熱從發(fā)動機(jī)抽取的水,加熱后水經(jīng)過暖風(fēng)機(jī)、燃油箱循環(huán)又進(jìn)入發(fā)動機(jī),從而加熱暖風(fēng)機(jī)、燃油,預(yù)熱發(fā)動機(jī)。
圖4 某型號燃油加熱器原理圖
一套國產(chǎn)燃油加熱器成本增加在2 000~3 000元左右,進(jìn)口的則較貴,價格在9 000~10 000元左右,其優(yōu)點(diǎn)是加熱效果好,可適應(yīng)-40℃環(huán)境,缺點(diǎn)是安裝需要較大空間,成本較高。
工程機(jī)械用發(fā)動機(jī)在增加低溫冷啟動相關(guān)措施后,還應(yīng)具備其他相關(guān)前提,例如:選用相應(yīng)低溫環(huán)境牌號機(jī)油、燃油,防凍液等;使用高性能蓄電池,必要時增加蓄電池保溫裝置,從而保證蓄電池電量和電壓穩(wěn)定,有效數(shù)據(jù)表明:溫度每降低1℃,蓄電池容量約下降1%,-40℃時蓄電池容量相當(dāng)于15℃時的32%左右,因此極寒工況下高性能的蓄電池是發(fā)動機(jī)順利啟動的先決條件之一;保證整車密封性能及可靠性,更換橡膠管、密封件等。
工程機(jī)械工況復(fù)雜多變,用戶要根據(jù)不同的使用工況綜合考慮選用發(fā)動機(jī)的冷啟動裝置,特別注意在選用合適的燃油與機(jī)油牌號等,以減少惡劣工況作業(yè)的不利因素,本文所提出的相關(guān)措施均在相關(guān)工程機(jī)械上得到驗(yàn)證并廣泛使用,使用效果良好。