宋小駒，李 俚

（1.廣西柯瑞機(jī)械設(shè)備有限公司，南寧 530000；2.廣西大學(xué)，南寧 530004）

0 前言

二十一世紀(jì)以來，隨著社會的飛速發(fā)展，空氣中污染物的排放加劇，隨著空氣污染的加劇，國家對發(fā)動機(jī)的管理越來越嚴(yán)格。發(fā)動機(jī)作為主要的排污設(shè)備已然成為社會關(guān)注的焦點(diǎn)。而發(fā)動機(jī)的冷啟動問題是造成污染排放的重要原因之一[1]，且發(fā)動機(jī)的冷啟動困難不僅會早造成環(huán)境污染，而且會影響工作進(jìn)行，嚴(yán)重時(shí)會造成設(shè)備的損壞。以礦山機(jī)械發(fā)動機(jī)為例，一方面礦山機(jī)械發(fā)動機(jī)工作環(huán)境多為露天寒冷的北方，發(fā)動機(jī)經(jīng)常發(fā)生冷啟動問題，發(fā)動機(jī)冷啟動階段，由于溫度過低，發(fā)動機(jī)啟動時(shí)燃油霧化不好，燃燒不充分。另一方面，燃油催化劑需要在380℃左右內(nèi)才能達(dá)到最大的轉(zhuǎn)換效率。在低溫環(huán)境下，催化轉(zhuǎn)化器的溫度過低，催化轉(zhuǎn)化器不會發(fā)揮其作用，造成污染物的大量排放（主要包括CO 和HC）。以HC 為例，HC 的主要排放集中在冷啟動的1～2 min內(nèi)。除此之外，冷啟動困難甚至?xí)斐蔁o法啟動的問題，發(fā)動機(jī)積碳等給設(shè)備造成不可逆的損害。影響正常的工期，甚至造成設(shè)備損壞增大設(shè)備的維修成本。因此，解決發(fā)動機(jī)冷啟動問題具有重大意義[2]，努力改進(jìn)發(fā)電機(jī)冷啟動問題，讓發(fā)電機(jī)能夠適應(yīng)寒冷條件。

1 冬季冷啟動困難的原因分析

冷啟動困難的原因有多種。主要愿意是由于設(shè)備溫度較低，燃油粘度過低造成噴油器無法正常工作，噴出的油過濃，無法正常進(jìn)行反應(yīng)及做工。冷卻液不能正產(chǎn)工作，傳感器失靈。冷啟動困難還會造成進(jìn)氣管積碳，而進(jìn)氣管積碳又反過來影響發(fā)動機(jī)的啟動，產(chǎn)生惡性循環(huán)，損壞設(shè)備。

除此之外，由于天氣過冷或空氣中的揚(yáng)塵粉煤灰，會影響輔助設(shè)備的正常工作。首先影響車載系統(tǒng)的消耗。車載系統(tǒng)消耗過大，會降低蓄電池對其他部件的供電電壓。其次在較低的溫度環(huán)境下，蓄點(diǎn)出的可逆比容量大大降低，車載輔助系統(tǒng)耗電量巨大，在待機(jī)狀態(tài)下，車載輔助系統(tǒng)的耗電量占總耗電量的50%以上。特別是在嚴(yán)寒的冬季欠壓的情況時(shí)經(jīng)常發(fā)生。在工作過程中，工程機(jī)械的作業(yè)時(shí)間在3 h 左右，一天的大部分時(shí)間都處于停機(jī)狀態(tài)，且有缺少停機(jī)狀態(tài)的設(shè)備維護(hù)。易出現(xiàn)欠飽和狀態(tài)，發(fā)動機(jī)在長時(shí)間未啟動，溫度下降，導(dǎo)致啟動困難。最后，可能的原因是由于蓄電池本征的缺陷，蓄電池可逆比容量降低，寒冷的北方，冬季大部分溫度在-20 ℃左右，電池比容量嚴(yán)重下降，導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備啟動困難[3]。

礦山機(jī)械在啟動時(shí)依靠蓄電池供電，在啟動過程中存在較大的能量損耗，容易讓蓄電池出現(xiàn)欠飽和狀態(tài)，導(dǎo)致啟動時(shí)因電力不足而無法正常啟動；而且在寒冷條件下，蓄電池的容量比常溫下的容量更低，一般情況下，當(dāng)溫度下降5 ℃，電池的容量下降5%，特別當(dāng)溫度低于-10 ℃時(shí)，容量下降高于5%，使蓄電池的容量下降，導(dǎo)致在啟動過程中，因?yàn)殡妷翰蛔慊蛘唠娏坎蛔?，使礦山機(jī)械無法正常啟動，影響礦山開采的正常工作[4-6]。

2 預(yù)防冷啟動困難的方法

2.1 外置預(yù)熱

工作間隙對工程機(jī)械進(jìn)行預(yù)設(shè)保溫是防止發(fā)動機(jī)冷啟動的有效方法。由于預(yù)熱一臺發(fā)動機(jī)需要1個(gè)多小時(shí)的時(shí)間，所以對設(shè)備的預(yù)熱需要借助外部設(shè)備。除此之外可對設(shè)備進(jìn)行改造，增加預(yù)熱回收裝置，將工作時(shí)候的廢熱進(jìn)行回收，儲存。將余熱管道與發(fā)動機(jī)連接，保持發(fā)動機(jī)時(shí)刻處于0 ℃以上。除此之外，還可以對必要的設(shè)備進(jìn)行保溫處理，主要管道包裹保溫棉。一般情況下，每隔10 min 必須要啟動發(fā)動機(jī)來給蓄電池充電，保證機(jī)械發(fā)電機(jī)處于預(yù)熱狀態(tài)，這種方法能夠從根本上解決冷啟動困難，從而保證礦山機(jī)械的正常工作，讓礦山開采更有序的進(jìn)行。

2.2 定時(shí)啟動充電

機(jī)械裝置在待機(jī)時(shí)，可要求師傅進(jìn)行定時(shí)啟動充電，頻率保持在10 min/次。以避免設(shè)備負(fù)荷太大造成的蓄電池欠壓的問題。除此之外，如有必要可以更換低溫性能更好的鋰離子電池。礦山機(jī)械真正工作的時(shí)間一般在2～3 h，其余時(shí)間都處于待機(jī)狀態(tài)，但在待機(jī)狀態(tài)中，輔助系統(tǒng)仍然正常工作，而且蓄電池為輔助系統(tǒng)進(jìn)行供電，消耗了大量的能量。因此，必須要進(jìn)行定時(shí)啟動發(fā)動機(jī)，從而能夠?yàn)閱映潆?，防止出現(xiàn)冷啟動困難或者無法啟動的現(xiàn)象，保證了礦山機(jī)械在寒冷環(huán)境下的正常工作。

2.3 安裝前置催化劑

發(fā)動機(jī)冷起動時(shí)，由于溫度較低，催化轉(zhuǎn)換器不能正常的工作，且缸內(nèi)混合氣較濃，易造成嚴(yán)重的尾氣排放問題。盡快提高催化轉(zhuǎn)換器的溫度是減少冷起動后排放污染的一條有效途徑。可將催化轉(zhuǎn)換器與排氣歧管連接在一起，利用排氣歧管的預(yù)熱、廢熱迅速提高催化轉(zhuǎn)換器的溫度，設(shè)備啟動后，在數(shù)十秒后就可以達(dá)到運(yùn)行溫度。但也要注意，由于催化劑靠近排氣歧管，設(shè)備會產(chǎn)生排期阻力等問題，需要認(rèn)真考慮[7]。適當(dāng)?shù)夭捎眯滦偷拇呋瘎﹣硗苿影l(fā)動機(jī)啟動，讓催化劑能夠有效的推動發(fā)動機(jī)冷啟動，保證礦山機(jī)械發(fā)電機(jī)能夠正常啟動，保證礦山機(jī)械能夠正常工作。

3 常規(guī)冷啟動方法帶來的影響

3.1 直接隱患

冬季發(fā)動機(jī)噴油霧化效果差，冷啟動困難造成頻繁的設(shè)備啟動，會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)內(nèi)部工作部件積炭增多。發(fā)動機(jī)氣缸設(shè)備精密，積碳過多會嚴(yán)重影響氣缸的使用壽命，造成維修成本升高，并且在發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中，更容易發(fā)生早燃和爆燃現(xiàn)象，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)機(jī)的功率下降，有實(shí)驗(yàn)研究證明發(fā)動機(jī)功率損失10%左右，問題嚴(yán)重時(shí)，可能導(dǎo)致活塞燒蝕。在設(shè)備正常運(yùn)作時(shí)，若發(fā)生以上現(xiàn)象，不僅發(fā)動機(jī)會存在報(bào)廢的危險(xiǎn)，而且影響工作的進(jìn)行。爆燃會增加曲軸及活塞連桿組的機(jī)械負(fù)荷，增加發(fā)動機(jī)部件之間的磨損；發(fā)動機(jī)如果長時(shí)間處于爆燃狀態(tài)會使活塞環(huán)斷裂，引起拉缸故障；爆燃產(chǎn)生沖擊波破壞缸壁表面的油膜，惡化活塞與氣缸摩擦副的潤滑[8]；沖擊波會增強(qiáng)氣缸壁面的傳熱，使發(fā)動機(jī)過熱，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)部件損耗加劇。載長期處于爆燃工作狀態(tài)，發(fā)動機(jī)的功率大大下降，熱效率大大降低，增加不必要的油耗損失，活塞脫頂現(xiàn)象會經(jīng)常發(fā)生，降低發(fā)動金的使用壽命，可靠性大大降低，長此以往會對發(fā)動機(jī)產(chǎn)生不可逆的損傷，發(fā)動機(jī)報(bào)廢會時(shí)長發(fā)生。

3.2 潛在隱患

司機(jī)工作量大大增加，長時(shí)間頻繁的啟動，會使操作人員更加疲憊。在工作工程中，司機(jī)師傅需要時(shí)刻關(guān)注運(yùn)行時(shí)間。工作更加復(fù)雜，司機(jī)誤操作的隱患大大增加。有必要時(shí)可能需要增加操作人手，但是工作人員的增多又會大大提高運(yùn)行成本，不是長久之策[9]。對發(fā)電機(jī)的監(jiān)管體系不完整，發(fā)電機(jī)要定時(shí)的進(jìn)行啟動，有可能因?yàn)橄鄳?yīng)的監(jiān)管體系不完善而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)沒有定時(shí)啟動。

4 改進(jìn)方法分析

目前，鉛酸蓄電池作為主要的供電裝置已廣泛應(yīng)用在礦山機(jī)械設(shè)備中，然而隨著國家對電池等新能源技術(shù)的發(fā)展，市場上已經(jīng)涌現(xiàn)出各種各樣的儲能裝置，有燃料電池、鈉離子電池、鋰離子電池、超級電容等。新能源技術(shù)的發(fā)展使得電池的性能越來越高。以鋰離子電池為例，鋰離子電池具有能量密度高、低溫性能好、工作電壓高、循環(huán)性能好等優(yōu)點(diǎn)，完全可以替代傳統(tǒng)的鉛酸電池。該電池其有充放電線路簡單，徹底免維護(hù)，檢測方便等突出優(yōu)點(diǎn)。鑒于鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)及國家大大力支持，鋰離子電池得到巨大的普及，價(jià)格逐年降低，為解決發(fā)動機(jī)冷啟動問題提供了新思路，目前預(yù)設(shè)2 種改進(jìn)方案：

（1）將原有的蓄電池與鋰離子電池并聯(lián)，為發(fā)動機(jī)系統(tǒng)供電。這樣就可以結(jié)合蓄電池和鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)，既不會造成原有供電設(shè)備的浪費(fèi)，又能充分發(fā)揮鋰離子電池的優(yōu)勢，優(yōu)勢互補(bǔ)。

（2）鋰離子電池組在發(fā)動機(jī)冷啟動時(shí)，需要向設(shè)備組提供電能，需要承擔(dān)起車載電氣配套系統(tǒng)的常規(guī)運(yùn)行電量供應(yīng)。

（3）在礦山輔助工程車輛發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，為超級鋰電池組和蓄電池充電過程中，保證鋰電池模組保持均壓，充電平衡問題等充電策略問題[10]。減少輔助工程車輛發(fā)電機(jī)的耗能，在礦山機(jī)械待機(jī)工程中，要減少輔助工程車輛發(fā)電機(jī)的能量損耗，防止在發(fā)電機(jī)啟動過程中出現(xiàn)欠壓現(xiàn)象，保證發(fā)電機(jī)能夠正常工作。

（4）必須要完善發(fā)電機(jī)監(jiān)管體系，保證發(fā)電機(jī)能夠定時(shí)的啟動和充電。采用新型的檢測設(shè)備來對發(fā)電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，保證發(fā)電機(jī)能夠正常啟動，這樣既節(jié)約了人力資源，又能夠保證發(fā)電機(jī)正常啟動，保證礦山機(jī)械的正常工作。

5 改造的意義及前景分析

5.1 改造的意義

（1）鋰離子電池組作為發(fā)動機(jī)冷啟動時(shí)電源，能彌補(bǔ)因低溫情況下，電池容量的下降，避免產(chǎn)生冷啟動困難；能夠保證在寒冷條件下，礦山機(jī)械的的正常啟動和正常工作，從而能夠保證工作效率，防止出現(xiàn)安全事故。

（2）避免因頻繁低溫狀態(tài)下啟動帶來的蓄電池電能流失及蓄電池老化加速等問題，能夠保持電池組的使用壽命，降低維修成本；提高了礦山機(jī)械的壽命，保證了礦山機(jī)械的使用安全，能夠節(jié)約機(jī)械啟動的電能，防止因難以啟動帶來的機(jī)械內(nèi)部磨損，從而能夠讓機(jī)械更好的工作，提高了礦山機(jī)械的性能。

（3）避免因冷啟動困難的頻繁啟動帶來的積炭增多，降低發(fā)動機(jī)部件的磨損程度，是提高使用壽命，降低發(fā)動機(jī)故障率的必要措施；能夠減少應(yīng)啟動困難帶來的積碳等物質(zhì)，能夠降低積碳等物質(zhì)帶來的磨損，提高了礦山機(jī)械的壽命。

（4）保證礦工機(jī)械的正常使用，減小故障頻率，提高連續(xù)生產(chǎn)天數(shù)，將提高企業(yè)盈利。

發(fā)動機(jī)總成預(yù)計(jì)百萬以上，百萬以上的發(fā)動機(jī)的維修費(fèi)用預(yù)計(jì)在數(shù)十萬左右。發(fā)動機(jī)啟動回路通過利用鋰電池組改造后，大大提高大修周期，約100天以上。減少因驅(qū)動電源的故障帶來的大修頻率。根據(jù)目前機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行情況，改造之后的礦工機(jī)械預(yù)計(jì)每年減少至少1 次的法修問題，預(yù)計(jì)帶來的直接經(jīng)濟(jì)效益可減少70 萬元左右。

（5）通過技術(shù)改造間接的降低了耗油量，減少了廢氣的排放，達(dá)到節(jié)能減排的作用，。對環(huán)境保護(hù)起到很重要的作用。機(jī)械冷啟動減少比傳統(tǒng)的礦山機(jī)械需要的能量少，減少了使用和啟動成本，而且該技術(shù)廢氣的排放量較少，能夠減少機(jī)械給環(huán)境帶來的污染。

（6）此外經(jīng)過技術(shù)改造后，可以大大降低司機(jī)頻繁的啟動發(fā)動機(jī)及充放電，操作更加簡單，降低操作頻率，減少因?yàn)椴僮魇д`而帶來的隱形的問題，大大提高了實(shí)際師傅的工作效率。該技術(shù)在啟動過程中噪音比傳統(tǒng)的礦山機(jī)械更小，能夠進(jìn)行無聲啟動，而且啟動和使用的方法比較簡單，方便使用人員更好的操作，從而能夠降低操作失誤，提高工作效率和安全。

5.2 改造的前景

通過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，中國的北方大部分地區(qū)都存在發(fā)動機(jī)冷啟動困難的問題。這個(gè)礦山生產(chǎn)帶來很大的困難。目前發(fā)動機(jī)冷啟動問題已成為礦產(chǎn)生產(chǎn)亟待解決的問題。節(jié)能減排，降低成本，是工業(yè)生產(chǎn)追求永恒不變的話題，直接關(guān)系了我國高質(zhì)量發(fā)展的發(fā)展戰(zhàn)略。

運(yùn)用鋰離子電池解決冷啟動問題，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)能。從上述情況可以看出發(fā)動機(jī)鋰離子電池冷啟動技術(shù)，對我國寒冷的北方礦業(yè)生產(chǎn)的必要性和重要性。建議加大該方向的研發(fā)和技術(shù)改造工作。

6 結(jié)束語

綜上所述，礦山機(jī)械發(fā)電機(jī)的冷啟動具有重要作用，能夠保證寒冷條件下的性能和工作效率。因此，必須要對礦山機(jī)械發(fā)電機(jī)冷啟動技術(shù)和性能進(jìn)行改造，保證機(jī)械能夠在寒冷環(huán)境下的工作效率，保證礦山開采的安全和進(jìn)度。也要打破傳統(tǒng)冷啟動技術(shù)，采用新型的技術(shù)來完善冷啟動，從而使機(jī)械能夠更好的適應(yīng)寒冷環(huán)境，提高了工作效率。