0 引言

一般而言，汽油機(jī)和柴油機(jī)動力轉(zhuǎn)換模式基本相同，都是經(jīng)過吸氣、壓縮、做功、排氣實現(xiàn)發(fā)動機(jī)動力輸出。柴油機(jī)相對于汽油機(jī)具有熱效率高、油耗低和排放性能好等優(yōu)點，并且具有較高的可靠性、經(jīng)濟(jì)性以及升功率較大等特點，被廣泛的運用于工程機(jī)械、自行火炮、裝甲車、軍用車輛、軍用電站等裝備。裝備在冬季，特別是在嚴(yán)寒條件下啟動特別困難，發(fā)動機(jī)低溫啟動是一個比較突出的難題。根據(jù)新疆省《2019年統(tǒng)計年鑒》中的數(shù)據(jù)來源，得到新疆省主要城市冬季平均氣溫如表1，根據(jù)表1可以知道新疆地區(qū)冬季氣溫基本都低于零下10°C，且多個市區(qū)在1月份平均氣溫來到零下20°C。由于柴油機(jī)在零下20-30°C這種寒冷的環(huán)境中，會造成進(jìn)氣溫度低，熱量散失快和漏氣量大等問題，導(dǎo)致氣缸內(nèi)的溫度和壓力達(dá)不到要求，使缸內(nèi)燃料的熱力狀態(tài)極不穩(wěn)定，極易發(fā)生失火現(xiàn)象。同時柴油機(jī)在這種環(huán)境下還會發(fā)生蓄電池的端電壓降低，容量減少，加之機(jī)油黏度大，阻力增大等因素發(fā)生，從而導(dǎo)致低溫啟動困難

。因此研究發(fā)動機(jī)低溫啟動具有十分重要的現(xiàn)實意義。目前，針對發(fā)動機(jī)低溫燃燒技術(shù)的研發(fā)非常之多，《中國知網(wǎng)》關(guān)于發(fā)動機(jī)低溫啟動可視化數(shù)據(jù)分析（見圖1）總體呈上升趨勢，國內(nèi)學(xué)者對這一研究課題越來越重視。國際能源協(xié)會（International Energy Assoc.）已經(jīng)成立專門的工作組，進(jìn)行低溫燃燒技術(shù)方面的研發(fā)。桑迪亞國家實驗室（SandiaNational Laboratories）的Magnus Sj?berg指出，許多燃料并不具備足夠的能量，能讓系統(tǒng)在低溫環(huán)境下“跑起來”。2017年，中國昆山舉辦了與低溫環(huán)境下發(fā)動機(jī)啟動困難相關(guān)的國際學(xué)術(shù)會議，來自美國阿崗國家實驗室的Stephen Ciatti說未來10年內(nèi)采用低溫燃燒技術(shù)的發(fā)動機(jī)的比例為10%。由此可知，當(dāng)前低溫啟動發(fā)動機(jī)仍然存在一些問題亟需解決。近年來一些企業(yè)在研究低溫燃燒發(fā)動機(jī)也有了一些成果，沃爾沃卡車（Volvo Global Truck）推出來了一項針對低溫燃燒發(fā)動機(jī)燃料選擇的研究，指出最適合低溫燃燒發(fā)動機(jī)的是生物柴油、甲烷和乙醇。德爾福汽車系統(tǒng)（Delphi Automotive Systems）的Mark Sellnau指出，低溫燃燒發(fā)動機(jī)可以提高效率并減少排放，同時他表示火花點火型低溫燃燒發(fā)動機(jī)的收益可能只在10%以下。因此，發(fā)動機(jī)如何在低溫啟動仍然是一個重點議題，也是相關(guān)學(xué)者廣受關(guān)注的問題。為探討發(fā)動機(jī)低溫啟動困難的原因，本文分析了發(fā)動機(jī)低溫啟動遇到的問題，并提出相對應(yīng)的建議和解決措施。

1 發(fā)動機(jī)低溫啟動困難的原因

1.1 機(jī)油方面

在溫度較低情形下，機(jī)油黏度會上升，會造成機(jī)油流動性變差，阻力增加，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)的啟動轉(zhuǎn)速變慢，發(fā)動機(jī)自然啟動性能就差。并且，在零下20-30°C這種環(huán)境下，不僅會使機(jī)油黏度增大，還會加重對柴油機(jī)器件的磨損。主要原因是寒冷的環(huán)境下，機(jī)油黏度的上升導(dǎo)致柴油機(jī)的部件表面沒有形成保護(hù)的油膜，長期處于干摩擦或半干摩擦情形下，柴油機(jī)器件的磨損自然加快了進(jìn)程，根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，寒冷環(huán)境中啟動柴油機(jī)的磨損約占柴油機(jī)總使用磨損量的50-75%。

酸奶壓縮試驗可用于對酸奶的質(zhì)構(gòu)進(jìn)行量化分析，試驗主要選擇黃精酸奶的稠度和硬度進(jìn)行分析，根據(jù)閆序東等人[10]的方法稍作修改。采用A/BE型反擠壓圓盤探頭活塞壓縮容器中樣品達(dá)到一定高度后再回到初始位置。測試參數(shù)設(shè)置：A/BE型圓盤探頭，盤徑35 mm，測試前速度1.0 mm/s，測試速率1.0 mm/s，測試后速率10.0 mm/s，測試距離30 mm，觸變力10 g。

1.2 電池方面

在零下20-30°C的冬天駕駛大型工程機(jī)械的時候應(yīng)該可以感受到電瓶耗電量的情況，冬天耗電量要更快一些，主要原因是由于熱脹冷縮的因素使鉛蓄電池的容量與溫度成正比，也就是說溫度降低電瓶的容量也會降低，如果在發(fā)動機(jī)大電流發(fā)電的情況下,溫度只要每下降1°C，就會導(dǎo)致蓄電池的容量降低1.5%左右，也就解釋了為什么電瓶電力很快就用完了。與此同時，溫度過低時，一方面，電池材料活性會下降，并且電池的放電功率也會下降，如果溫度低于一定程度，會造成電池釋放的電流達(dá)不到啟動機(jī)用電量，進(jìn)而影響啟動機(jī)性能，使起動機(jī)啟動柴油機(jī)時的力矩減小，最終造成啟動困難。另一方面，蓄電池電解液粘度、電解液滲透能力、內(nèi)阻力等因素也會因此發(fā)生變化，這也是影響柴油機(jī)啟動困難的原因之一。因此，為了避免發(fā)生以上情況，需要提前添加電解密度，防止發(fā)動機(jī)啟動困難。另外，發(fā)動機(jī)正常啟動時，需要比較大的啟動功率來確保發(fā)動機(jī)正常啟動，而在低溫條件下蓄電池容量與端電壓會急劇減小，達(dá)不到啟動發(fā)動機(jī)的正常功率，自然也就沒法保證起重機(jī)正常的運轉(zhuǎn)，所以也會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)無法順利啟動。

1.3 柴油機(jī)積碳和排氣管凍結(jié)

積碳是指汽缸內(nèi)未充分燃燒的燃油經(jīng)過揮發(fā)后，產(chǎn)生的膠狀物質(zhì)等固體會沉積在缸壁和氣門，經(jīng)過一段時間的積累和沉淀，最終在柴油機(jī)器件上面形成了積碳。積碳嚴(yán)重時，不但使柴油機(jī)功率降低，油耗增加，還能夠降低電控柴油機(jī)氧傳感器的靈敏度，使氧傳感器輸出信號不準(zhǔn)，進(jìn)而導(dǎo)致ECU（電子控制單元）不能準(zhǔn)確地修正空燃比，使柴油機(jī)燃燒進(jìn)一步惡化，尾氣排放嚴(yán)重超標(biāo)，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)啟動困難。在零下20-30°C的環(huán)境下，柴油霧化效果本來就比較差，如果噴油嘴再堵塞，導(dǎo)致柴油機(jī)霧化不良，就會影響發(fā)動機(jī)啟動性能。此外，排氣管結(jié)冰凍結(jié)也會影響到發(fā)動機(jī)的啟動。排氣管凍結(jié)主要是因為溫度過低時，發(fā)動機(jī)燃燒后產(chǎn)生的水汽在排氣管的某個部位凍結(jié)而造成的發(fā)動機(jī)啟動困難。

1.4 燃油霧化不良

根據(jù)《農(nóng)機(jī)指南》發(fā)布的“啟動機(jī)故障高發(fā)，2018故障占比超過14%”中數(shù)據(jù)顯示，起動電機(jī)故障占到了柴油總故障比例的約14.4%，可知柴油機(jī)啟動機(jī)的保養(yǎng)也很重要。在零下20-30°C環(huán)境的環(huán)境下，由于柴油機(jī)壓縮比大，機(jī)油黏度上升，潤滑系上機(jī)油慢，造成起動機(jī)動力不足，起動轉(zhuǎn)速變慢，燃燒室壓縮空氣達(dá)不到柴油燃燒的溫度，使柴油機(jī)啟動困難。因此，在寒冷的環(huán)境下，對起動機(jī)進(jìn)行及時的保養(yǎng)和維護(hù)是極其重要的。常用的做法是：①經(jīng)常使蓄電池保持充足電的狀態(tài)，不能用放電過多的蓄電池啟動發(fā)動機(jī)。②導(dǎo)線接頭應(yīng)安裝牢固，蓄電池極柱應(yīng)保持清潔，盡量減小接觸電阻，還要經(jīng)常檢查開關(guān)接觸情況。③安裝好防塵罩，防止塵土大量浸入電機(jī)內(nèi)部，臟污換向器及其他零件。④注意潤滑，檢查電刷磨損情況及電刷彈簧壓力。⑤當(dāng)連續(xù)幾次不能起動發(fā)動機(jī)時，應(yīng)檢查起動機(jī)電磁開關(guān)、蓄電池和連接線等，排除故障后再起動。⑥增加發(fā)電機(jī)充電電壓、保持起動機(jī)電刷、換向器等部件接觸良好，性能可靠，都能夠提高發(fā)動機(jī)的啟動效能。

2 發(fā)動機(jī)低溫啟動改善措施

2.1 選擇符合環(huán)境溫度的燃油

在低溫情況下啟動發(fā)動機(jī)時，可以先加熱冷卻水，比如可以添加溫水或者說利用蒸汽、電加熱器等裝置，將冷卻水提高到20°C以上再啟動是比較好的。①蒸氣預(yù)熱法。蒸氣預(yù)熱法是讓蒸氣通過管道從水箱的下水管進(jìn)入冷卻系，或直接進(jìn)入發(fā)動機(jī)冷卻水套加熱機(jī)體。②電預(yù)熱法。電預(yù)熱法是將電加熱器直接插入冷卻系或油底殼機(jī)油內(nèi)，加熱潤滑油，以便于啟動。③添加溫水法。添加的溫水應(yīng)該為40-60℃左右的溫水，不能使用開水，因為開水的溫度過高，容易對散熱芯管、氣缸蓋等造成重要的影響，使其發(fā)生脹裂的現(xiàn)象。當(dāng)使用溫水對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行緩慢預(yù)熱，不僅可以延長發(fā)動機(jī)使用壽命，提升發(fā)動機(jī)啟動效率、汽缸壓縮壓力以及溫度，還可以避免在溫度過低時發(fā)動機(jī)耗油大、柴油機(jī)器件磨損嚴(yán)重和啟動困難的問題出現(xiàn)。

2.2 選擇低溫性能良好的機(jī)油

機(jī)油在低溫環(huán)境中也會變得黏稠、產(chǎn)生渾濁甚至凝固。但是，與柴油凝固方式有所不同，機(jī)油的凝固要經(jīng)歷幾個層次，它并不像柴油一下子就形成的，它先凝聚出絮狀沉淀,接著變成豆腐腦狀，最后才變成凝固點。因此，柴油、機(jī)油的選擇是很重要的，因為不同型號、標(biāo)號的柴油、機(jī)油對應(yīng)著不同的溫度。

2.3 對電瓶做好保溫措施

法律法規(guī)的保障以及政策的支持是治理電子商務(wù)問題的根本保障，法律法規(guī)的制定從制度上鼓勵公眾和企業(yè)積極參與到社會治理的過程中，在內(nèi)容上要體現(xiàn)出我國目前電子商務(wù)協(xié)同治理的重要性，同時要明確參與各主體的職責(zé)，避免出現(xiàn)由于信息不對稱產(chǎn)生的信任危機(jī)，最大程度地避免電子商務(wù)中出現(xiàn)的負(fù)外部性問題。其次，政府要考慮到不同地區(qū)消費能力和發(fā)展不均衡的現(xiàn)實情況，綜合內(nèi)外部因素因地制宜地提供合作服務(wù)和公共服務(wù)，以實現(xiàn)效益最大化[9]。此外，要加大力度完善現(xiàn)行的《電子商務(wù)法》，尤其是對于“雙11”期間的各類應(yīng)急系統(tǒng)，逐步健全各區(qū)域協(xié)同治理的法律法規(guī)體系。

2.4 加強(qiáng)起動機(jī)的保養(yǎng)

在零下20-30°C環(huán)境中，燃油也容易產(chǎn)生蒸發(fā)性和霧化性，這也是造成發(fā)動機(jī)啟動困難的原因之一。在低溫情況下，燃油的密度與粘度與以前相比有大幅上升，這在一定程度上降低其流動性，霧化和蒸發(fā)的作用無法充分發(fā)揮出來，導(dǎo)致大量的燃油還是處于液態(tài)儲存在氣缸中，這不僅對混合器的形成產(chǎn)生重要的影響，而且還導(dǎo)致混合氣比較稀。此外，在低溫的條件下，柴油中的蠟質(zhì)容易出現(xiàn)離析的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致管路和燃油濾清器的堵塞，造成發(fā)動機(jī)啟動困難。除此之外，由于新疆寒冷的環(huán)境，柴油在氣缸內(nèi)通常處于不充分燃燒，造成啟動時氣缸溫度、壓力等都達(dá)不到燃燒要求，壓縮柴油和空氣的混合物無法使其溫度達(dá)到柴油燃點而自燃，從而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)啟動困難。

應(yīng)當(dāng)保持發(fā)動機(jī)的清潔性、干燥性，起動機(jī)換向器與電刷之間的良好接觸。在低溫情況下，對于柴油的選擇，需要選擇凝點低、流動性好、質(zhì)量高的柴油。對于機(jī)油的選擇，應(yīng)盡量選擇黏度稀一點的機(jī)油。在冬季低溫情況下，需要注意以下幾點來維護(hù)發(fā)動機(jī)。①低溫狀態(tài)下，對空氣濾芯以及柴油濾芯的要求非常高，需要勤換空氣濾芯，降低對發(fā)動機(jī)的磨損，延遲柴油發(fā)電機(jī)使用壽命。②在低溫環(huán)境中，當(dāng)發(fā)電機(jī)運行過后，盡量不露天擺放或者溫度過低的地方，否則當(dāng)溫度小于4度時，冷卻水會發(fā)生狀態(tài)上的變化，由液體變成固體，體積也會迅速膨脹，進(jìn)而對冷卻水箱散熱器造成破壞。③可以添加一些外接設(shè)備對發(fā)動機(jī)進(jìn)行保養(yǎng)，比如：發(fā)動機(jī)面上覆蓋保溫套、下曲軸箱鋪上玻璃纖維等方法對發(fā)動機(jī)作保溫措施。④對發(fā)動機(jī)進(jìn)行預(yù)熱處理。在低溫情況下，啟動發(fā)動機(jī)時氣缸內(nèi)吸入空氣溫度較低，活塞進(jìn)行壓縮后不僅不能達(dá)到柴油自燃的溫度還能加劇發(fā)動機(jī)的磨損。⑤增加一些電輔助加熱裝置，比如說：火焰噴射式預(yù)熱器或者說電熱絲式預(yù)熱器等裝置，對電瓶進(jìn)行保溫。因此，低溫環(huán)境下需要先對發(fā)動機(jī)進(jìn)行預(yù)熱，然后在啟動發(fā)動機(jī)，待發(fā)動機(jī)溫度正常后，準(zhǔn)備才能正常運行。這樣不僅可以提高柴油機(jī)啟動性能延長柴油機(jī)使用壽命，還能減少發(fā)動機(jī)各部件磨損，提高裝備使用效率。

在低溫狀態(tài)下，電瓶的容量會下降，并且像柴油發(fā)動機(jī)的啟動對轉(zhuǎn)速要求比較高，如果電瓶電量下降，勢必造成啟動轉(zhuǎn)速達(dá)不到啟動的要求。因此，就需要對電瓶做些保溫措施了。保溫措施如下：①停車時將裝備停到相對比較溫暖的地方，如暖氣車庫等，可以延遲電池使用壽命。②如果裝備長時間不使用，最好把電瓶卸下來，放在室內(nèi)溫暖的地方。③經(jīng)常檢查電解液密度。在低溫環(huán)境中，最好的做法就是，調(diào)高電解液密度，防止因為低溫造成凍裂蓄電池外殼等問題的發(fā)生。④可以給蓄電池外面加一層防護(hù)，也就是對蓄電池進(jìn)行保溫的。

2.5 向冷卻系統(tǒng)加熱

在低溫情況下，柴油可能會產(chǎn)生結(jié)晶，主要原因是其含蠟，含蠟量與結(jié)晶難易程度成反比，含蠟量與凝固點高低呈正比。油品的凝固點是指油品失去流動性的最低溫度，為了方便記憶，柴油的牌號就是利用油品的凝固點命名的。這也就是為什么在低溫環(huán)境下會堵塞柴油管路的情況發(fā)生，在這種情況下柴油機(jī)就很難啟動，所以要選擇合適的柴油牌號。

2.6 加強(qiáng)對發(fā)動機(jī)的保養(yǎng)

屈服極限與貯藏時間的關(guān)系，如圖5所示。屈服極限隨貯藏時間的延長，呈逐漸下降的趨勢，下降幅度相對平緩，表明圣女果發(fā)生永久變形所需的力在逐漸減小。

2.7 添加輔助燃料

啟動發(fā)動機(jī)時在發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管添加輔助燃料，能夠在一定程度上改善發(fā)動機(jī)低溫啟動困難的手段之一。一般情況下，往進(jìn)氣管添加的輔助材料以二乙醚為主。根據(jù)實踐證明，當(dāng)二乙醚的吸入量占總?cè)剂系?8%左右時，發(fā)動性的啟動性能是最好的。主要原因是因為輔助材料在火焰前反應(yīng)中產(chǎn)生的物質(zhì)，可以幫助燃料的燃燒，因此，添加輔助燃料，就可以達(dá)到縮短時間、提高啟動性能的目的。

我在攻讀博士學(xué)位的緊張學(xué)習(xí)期間，場場不落地參加討論班，個人想實現(xiàn)的目標(biāo)是什么？首先是從哲學(xué)上研究系統(tǒng)思維。我雖然是從1983年就開始寫作博士論文，但從一開始我就非常重視錢老關(guān)于系統(tǒng)科學(xué)的思想。眾所周知，錢學(xué)森先生是一位偉大的科學(xué)家，但接觸過他的人都會驚訝地發(fā)現(xiàn)他也是一位偉大的思想家。他在《哲學(xué)研究》雜志上發(fā)表過文章，還與我當(dāng)時所在的哲學(xué)研究所（我是在職攻讀博士學(xué)位）的多位科研人員有學(xué)術(shù)交往。例如，當(dāng)時哲學(xué)所自然科學(xué)技術(shù)哲學(xué)研究室（當(dāng)時叫“自然辯證法研究室”）有位童天湘同志，發(fā)表了一篇文章，錢老看了就親自寫信與他討論。這種事經(jīng)常發(fā)生，錢老雖然是位大人物，但我們對他并不覺得陌生。

2.8 發(fā)動機(jī)預(yù)熱

低溫環(huán)境下，當(dāng)啟動柴油發(fā)動機(jī)時，通常要對發(fā)動機(jī)進(jìn)行預(yù)熱，使發(fā)動機(jī)盡快達(dá)到合適的啟動條件，順利啟動。發(fā)動機(jī)預(yù)熱處理的方法有加熱柴油發(fā)動機(jī)進(jìn)氣、加熱油底殼和加熱水套等方法。加熱柴油發(fā)動機(jī)進(jìn)氣通常操作是將一個電熱塞安裝在柴油機(jī)進(jìn)氣管入口處，電熱塞上安裝有柴油進(jìn)油接頭，當(dāng)接通電源后，電熱塞中的電阻絲發(fā)熱，桿身受熱伸長，使閥口打開，柴油流出并著火燃燒，形成火焰預(yù)熱空氣。加熱油底殼是將加熱器牢固安裝到油底殼上，將其與控制盒上的接插件連接可靠，電源線與電源正極連接牢固可靠，當(dāng)處于寒冷環(huán)境中，就可以對油底殼內(nèi)的機(jī)油進(jìn)行加熱。加熱水套主要是設(shè)置一個裝置，使發(fā)動機(jī)機(jī)體內(nèi)冷卻液進(jìn)行小循環(huán)加熱，發(fā)動機(jī)冷卻液進(jìn)口端固定一個加熱管與溫控器，冷卻液在發(fā)動機(jī)機(jī)身水套中冷熱循環(huán)，使柴油機(jī)水套中的冷卻液始終保持在一定溫度。根據(jù)裝備結(jié)構(gòu)不同安裝相應(yīng)的加熱設(shè)備，以達(dá)到預(yù)熱發(fā)動機(jī)的目的，避免在極寒的惡劣環(huán)境中裝備無法正常啟動。

3 結(jié)論

在寒冷的冬季，發(fā)動機(jī)啟動困難日益受到各界關(guān)注，本文以國內(nèi)外發(fā)動機(jī)低溫啟動學(xué)術(shù)成果為基礎(chǔ)，結(jié)合自己多年來維修經(jīng)驗系統(tǒng)分析了發(fā)動機(jī)低溫啟動困難的原因，并針對原因進(jìn)行了深入分析，提出了解決發(fā)動機(jī)低溫啟動困難的具體措施，供駕駛員和維修人員參考。

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