郭小敏， 劉 彬， 張世富， 姜俊澤， 陳德奇

(1.低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點實驗室， 重慶 400044； 2.重慶大學(xué)能源與動力工程學(xué)院, 重慶 400044；3.陸軍勤務(wù)學(xué)院國家救災(zāi)應(yīng)急裝備工程技術(shù)研究中心，重慶 401331； 4.陸軍勤務(wù)學(xué)院油料系， 重慶 401331)

柴油機低溫啟動輔助設(shè)施加裝簡單，且無需改變柴油機內(nèi)部結(jié)構(gòu)，具有很強的實用性。因此已成為柴油機冷啟動領(lǐng)域的學(xué)術(shù)熱點[1]。但當(dāng)前研究大多是針對單一預(yù)熱方式，而當(dāng)溫度降低到-20 ℃以下的極寒環(huán)境時，使用單一預(yù)熱方式很難讓柴油機快速啟動，因此有必要對極寒環(huán)境下多種預(yù)熱方式耦合的啟動效果進行研究[2]。本文以增強一臺小型中速渦輪增壓柴油機在極寒環(huán)境下的啟動能力為目標(biāo)，設(shè)計了包括進氣預(yù)熱、冷卻液預(yù)熱以及蓄電池保溫三個方面的耦合系統(tǒng)，并研究了三個子系統(tǒng)耦合對柴油機啟動能力的影響，以及啟動過程中蓄電池表面的溫度變化規(guī)律。

1 冷啟動實驗測試系統(tǒng)

本文所研究柴油機的額定功率為56 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，壓縮比為22，缸徑和沖程分別為105 mm和125 mm，噴油方式為缸內(nèi)直噴。

冷啟動預(yù)熱耦合系統(tǒng)的示意圖如圖1所示。首先通過選擇合適厚度的聚氨酯保溫材料制作僅應(yīng)用于極寒環(huán)境的蓄電池保溫箱，保證蓄電池在保溫箱外部環(huán)境溫度低于-20 ℃時仍然具備良好的放電能力。其次，因為進氣溫度是影響柴油機低溫啟動性能的關(guān)鍵因素[3]，而當(dāng)柴油機處于-25 ℃以下的環(huán)境中時，普通的電熱式預(yù)熱器已經(jīng)很難再適用，因此選用-41 ℃仍可正常工作的PTC預(yù)熱器作為進氣預(yù)熱裝置[4-5]。本次選用的PTC預(yù)熱器的加熱時間最長為5 min，并且有變功率自動恒溫的作用，安裝在柴油機進氣管與進氣歧管之間。最后，因低溫下對發(fā)動機冷卻液進行加熱也可以有效改善柴油機的冷啟動性能[6]，故選用-41 ℃仍可以正常啟動和工作的燃油加熱器(16.3 kW)對流經(jīng)柴油機缸套的冷卻液進行加熱。

圖1 冷啟動耦合示意圖

如圖1所示，在本耦合系統(tǒng)中，蓄電池保溫系統(tǒng)保障蓄電池在寒冷條件下有足夠的放電能力，能為PTC預(yù)熱器、燃油加熱器和啟動機提供電力支持，從而使柴油機順利啟動。

本次冷啟動測試系統(tǒng)主要包括步入式20 m3高低溫試驗艙(測溫范圍為-60～100 ℃)、Pt100溫度傳感器(測溫范圍為-50～200 ℃)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及發(fā)動機智慧顯示屏等。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 蓄電池保溫實驗

本實驗使用鉛酸蓄電池，根據(jù)其電池化學(xué)特性，可以通過研究低溫下蓄電池表面溫度的變化情況來體現(xiàn)蓄電池放電能力的變化情況[7-8]。將蓄電池從溫度為18 ℃的艙外環(huán)境放入到厚度為60 mm的聚氨酯保溫箱內(nèi)，并使用聚氨酯泡沫填縫劑對蓄電池導(dǎo)線周邊的縫隙等進行密封處理，分別在-25 ℃和-30 ℃的低溫環(huán)境中靜置8 h以上。

如圖2所示，當(dāng)?shù)蜏嘏搩?nèi)環(huán)境溫度為-25 ℃時，8 h以內(nèi)保溫層內(nèi)壁溫度即蓄電池所處環(huán)境溫度變化不超過8 ℃；蓄電池表面溫度變化不超過5 ℃；此時，保溫層內(nèi)壁溫度仍保持在10 ℃左右，蓄電池表面溫度保持在15 ℃左右。蓄電池仍然工作在良好的溫度條件下，其放電能力仍然能夠達到常溫下的80%[9]，能夠滿足實際工程中停機8 h的使用要求。

圖2 -25 ℃下蓄電池保溫箱內(nèi)部溫度變化曲線

同樣，當(dāng)?shù)蜏嘏摥h(huán)境溫度為-30 ℃時，靜置8 h后蓄電池保溫層內(nèi)壁溫度變化不超過8 ℃，電池表面溫度變化不超過5 ℃，蓄電池仍然具備良好的放電能力。

可以看到，聚氨酯泡沫材料在低溫環(huán)境中具備良好的保溫性能。當(dāng)環(huán)境溫度為-25～-30 ℃時，蓄電池在保溫箱內(nèi)的溫度變化較小，其溫度變化速率小于1 ℃/h。而且聚氨酯泡沫材料價格低廉易于獲取，能夠?qū)崿F(xiàn)工程實用性和經(jīng)濟性的平衡。

2.2 冷啟動性能實驗

在-25 ℃的環(huán)境狀態(tài)中，待冷卻液溫度降低到與環(huán)境溫度一致時，通過在保溫箱中的蓄電池為低溫預(yù)熱系統(tǒng)和啟動機提供電力支持，研究4種操作條件下的柴油機冷啟動情況。

在實驗操作過程中，不加裝任何低溫預(yù)熱系統(tǒng)時，柴油機完全無法啟動。然后保持冷卻液溫度為-25 ℃，采用單一的PTC進氣預(yù)熱方式，將PTC進氣預(yù)熱器加熱最長時間5 min后柴油機仍然無法啟動。采用單一的冷卻液燃油加熱器預(yù)熱系統(tǒng)，需要將冷卻液加熱到40 ℃后柴油機才能啟動，加熱耗時在20 min以上。

為了減少啟動需要的時間，將PTC進氣預(yù)熱與燃油加熱器冷卻液預(yù)熱二者耦合，如圖3所示。圖3中的縱坐標(biāo)表示使用PTC進氣預(yù)熱器的加熱時間，橫坐標(biāo)表示使用燃油加熱器加熱后的缸套內(nèi)冷卻液溫度。其中點1表示當(dāng)缸套內(nèi)冷卻液被燃油器加熱至10 ℃，且同時用PTC進氣預(yù)熱4 min時柴油機成功啟動；點2表示當(dāng)缸套內(nèi)冷卻液溫度被燃油器加熱至20 ℃，且同時用PTC進氣預(yù)熱2 min時柴油機成功啟動；其余耦合加熱組合均未能成功啟動。

圖3 -25 ℃環(huán)境下燃油加熱器加熱后的柴油機冷啟動情況

在預(yù)熱過程中，1 min PTC和燃油器單獨加熱耗能分別為0.016 kW和0.27 kW，PTC耗能遠小于燃油器。而1、2、3點使用燃油器加熱冷卻液到既定溫度10 ℃、20 ℃、40 ℃所需時間分別為8 min、10 min、20 min，均大于PTC最大加熱時間5 min。即在啟動成功的1、2、3點中，1點所用的時間最短、總能耗也最小，所以1點為最優(yōu)點。

同樣，研究在-30 ℃的環(huán)境狀態(tài)中的情況。前面幾種情況與-25 ℃環(huán)境完全相同；而將兩種預(yù)熱方式耦合同時加熱后，則只需要冷卻液用燃油加熱器加熱8 min，PTC進氣預(yù)熱器加熱5 min，就能成功啟動。

采用PTC進氣預(yù)熱與燃油加熱器預(yù)熱耦合可以有效提升柴油機冷啟動性能，本實驗中通過比較燃油加熱器加熱冷卻液到既定溫度所需時間(下稱t1)與PTC進氣加熱時間(下稱t2)來建立冷啟動控制策略。若t1>t2，則先對冷卻液加熱一段時長t3，待t1-t3=t2時啟動PTC進氣預(yù)熱器進行耦合加熱；若t1

3 結(jié) 論

當(dāng)環(huán)境溫度為 -25～-30 ℃ 時，實驗所用的60 mm保溫箱具有良好的保溫效果； 燃油加熱器相比PTC進氣預(yù)熱器在低溫下具有更明顯的作用；發(fā)揮兩種預(yù)熱方式的耦合作用相比單一預(yù)熱方式能夠明顯優(yōu)化柴油機的啟動能力。