焦貴利 禹東方 朱學(xué)斌 武之劍 許麗梅 吳寶龍

（1-泰安航天特種車有限公司 山東 泰安 271000 2-北京航天發(fā)射技術(shù)研究所 3-陜西北方動(dòng)力有限責(zé)任公司）

引言

低溫起動(dòng)性能是重型越野車環(huán)境適應(yīng)性的重要指標(biāo)，由于氣候條件等因素的影響，低溫冷起動(dòng)問題一直是困擾重型越野車行業(yè)的難題。如果在低溫條件下車輛無法正常起動(dòng)，這不僅直接影響車輛的性能，嚴(yán)重的甚至?xí)聿豢晒懒康膿p失，尤其對以風(fēng)冷柴油機(jī)作為動(dòng)力承擔(dān)特殊使命的重載特種車輛冷起動(dòng)性能要求更為苛刻，采用常規(guī)措施有時(shí)難以達(dá)到要求，由此可見研究車輛低溫起動(dòng)技術(shù)意義重大[1-5]。

為保證以風(fēng)冷柴油機(jī)作為動(dòng)力的重型越野車在低溫條件下可靠使用，國內(nèi)外在相關(guān)領(lǐng)域開展了大量的基礎(chǔ)和試驗(yàn)研究，系統(tǒng)探討柴油機(jī)冷起動(dòng)過程發(fā)展機(jī)制和特征，建立相應(yīng)的計(jì)算模型，闡明冷起動(dòng)影響因素[1]，運(yùn)用行之有效的措施與附加裝置，以提高汽車低溫起動(dòng)性能，解決起動(dòng)困難問題[2]。試驗(yàn)研究表明，12 缸風(fēng)冷柴油機(jī)采用火焰預(yù)熱裝置僅能滿足-25℃低溫起動(dòng)需要[3]；采用起動(dòng)液、冷卻介質(zhì)加熱、潤滑油加熱、低溫蓄電池等冷起動(dòng)措施雖然能在一定程度上改善車輛低溫起動(dòng)性能，但都存在起動(dòng)時(shí)間長、操作繁瑣的缺點(diǎn)[4]；采用電熱預(yù)熱方式確保升高進(jìn)氣溫度，可促使柴油機(jī)在-35℃低溫條件下順利起動(dòng)[6]。

本研究將以國產(chǎn)重型越野車廣泛使用的BF12L513C 系列12 缸風(fēng)冷柴油機(jī)為例，結(jié)合某重型越野車-40 ℃極寒條件的應(yīng)用要求，在借鑒國內(nèi)外研究成果和分析現(xiàn)有技術(shù)不足的基礎(chǔ)上，從進(jìn)氣預(yù)熱、電源等方面對低溫起動(dòng)技術(shù)深入研究，探求重型越野車低溫起動(dòng)影響因素及改善措施，為低溫快速起動(dòng)提供技術(shù)途徑。

1 影響因素分析

柴油機(jī)低溫起動(dòng)影響因素主要包括潤滑油粘度、燃油霧化質(zhì)量、蓄電池放電性能等。當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí)，潤滑油粘度增加，重型越野車大功率風(fēng)冷柴油機(jī)摩擦副很難得到良好預(yù)潤滑，從而導(dǎo)致起動(dòng)阻力增大，再加上重型越野車設(shè)有液力機(jī)械變速器等負(fù)載，也增大了柴油機(jī)起動(dòng)阻力，使柴油機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)速降低，缸內(nèi)壓縮空氣溫度和壓力不易達(dá)到柴油燃燒所需條件，柴油機(jī)難以起動(dòng)；柴油粘度提高和密度增大，導(dǎo)致其流動(dòng)性變差，霧化不良，延長了著火滯后期，造成柴油機(jī)起動(dòng)困難；蓄電池容量降低，柴油機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大幅度減小，起動(dòng)機(jī)不能拖動(dòng)柴油機(jī)達(dá)到最低起動(dòng)轉(zhuǎn)速，柴油機(jī)難以著火運(yùn)轉(zhuǎn)[1-5，7]。

2 起動(dòng)方案設(shè)計(jì)

通過分析重型越野車低溫起動(dòng)影響因素，確定采用優(yōu)化進(jìn)氣溫度、提升蓄電池輸出功率等措施提高低溫起動(dòng)性能，本研究對某重型越野車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣預(yù)熱裝置、電源進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣預(yù)熱裝置

低溫時(shí)進(jìn)氣溫度下降直接造成柴油機(jī)冷起動(dòng)困難，柴油機(jī)進(jìn)氣溫度T1和壓縮溫度T2的關(guān)系可用式（1）表示[1]

式中：V1為壓縮前燃燒室容積，mL；V2為壓縮后燃燒室容積，mL；n 為壓縮過程多變指數(shù)。

由式（1）可知，提高進(jìn)氣溫度可使發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮空氣溫度顯著提高，有利于改善著火條件。

2.1.1 常用進(jìn)氣預(yù)熱方式

進(jìn)氣預(yù)熱是改善柴油機(jī)低溫起動(dòng)性能最為有效的技術(shù)措施，通過輔助加熱裝置加熱進(jìn)氣，從而實(shí)現(xiàn)提高壓縮空氣溫度，可使柴油機(jī)在低溫下順利起動(dòng)[1-2，7]。

1）火焰預(yù)熱裝置

火焰預(yù)熱裝置由預(yù)熱塞、供油系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成，通過預(yù)熱塞使柴油在進(jìn)氣管內(nèi)燃燒加熱進(jìn)氣，因工作中需要消耗進(jìn)氣中的氧氣而有部分廢氣產(chǎn)生，預(yù)熱塞加熱功率不易過大，對進(jìn)氣溫度提升幅度較小，但由于它耗電量小、效果明顯、使用方便，因此成為柴油機(jī)一種主要的低溫起動(dòng)裝置[2]。

BF12L513C 系列風(fēng)冷柴油機(jī)火焰預(yù)熱裝置控制器由降壓電阻、溫度開關(guān)組成，降壓電阻用于預(yù)熱塞過壓保護(hù)；預(yù)熱塞安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)左、右進(jìn)氣管的直線段靠近進(jìn)氣歧管處，左側(cè)、右側(cè)各一只預(yù)熱塞集中預(yù)熱進(jìn)氣。預(yù)熱60 s 后預(yù)熱塞溫度達(dá)900 ℃，溫度開關(guān)控制預(yù)熱指示燈點(diǎn)亮，通過電磁閥與油管將柴油輸送到預(yù)熱塞進(jìn)行火焰預(yù)熱起動(dòng)[4]，圖1 為火焰預(yù)熱裝置工作原理。其優(yōu)點(diǎn)是易于控制，加熱效果明顯；缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作中消耗氧氣不僅導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率損失，而且不利于排放。

圖1 火焰預(yù)熱裝置工作原理

2）電熱預(yù)熱裝置

電熱預(yù)熱裝置通過蓄電池電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芗訜徇M(jìn)氣，使用過程中蓄電池電能消耗較多，起動(dòng)系統(tǒng)輸出功率降低，但由于它結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、工作可靠、加熱均勻、對進(jìn)氣沒有污染，可使柴油機(jī)在較低溫度下快速起動(dòng)，因此被廣泛使用。

電熱塞預(yù)熱裝置采用電熱塞作為加熱元件，電熱塞安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管上，利用一只或幾只電熱塞加熱進(jìn)氣管內(nèi)的空氣，預(yù)熱90 s 后電熱塞溫度達(dá)380℃，進(jìn)氣通過灼熱的電熱塞被加熱[2]，圖2 為電熱塞預(yù)熱裝置工作原理。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，布置靈活，安裝方便；缺點(diǎn)是散熱面積小，僅對能輻射到的局部區(qū)域加熱效果明顯。

圖2 電熱塞預(yù)熱裝置工作原理

格柵預(yù)熱裝置采用格柵加熱器作為加熱元件，格柵加熱器是一只位于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管喉管處裝有電熱元件的進(jìn)氣道，使通過的冷空氣邊流動(dòng)邊加熱，預(yù)熱90 s 后加熱器溫度達(dá)1 150 ℃，流經(jīng)加熱器的空氣被加熱[2]，圖3 為格柵加熱器。其優(yōu)點(diǎn)是散熱面積大，進(jìn)氣受熱均勻，加熱效果更好；缺點(diǎn)是通用性差，需對進(jìn)氣管進(jìn)行專門設(shè)計(jì)，安裝相對復(fù)雜，由于采用柵格結(jié)構(gòu)對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量有一定的影響。

圖3 格柵加熱器

2.1.2 進(jìn)氣預(yù)熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

某重型越野車使用BF12L513C 風(fēng)冷柴油機(jī)，表1 為柴油機(jī)技術(shù)參數(shù)。由表1 可見，發(fā)動(dòng)機(jī)功率大，起動(dòng)過程中進(jìn)氣量需求大，這對低溫起動(dòng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣預(yù)熱效果提出更高要求。經(jīng)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，其采用腔體較大的外置結(jié)構(gòu)進(jìn)氣歧管，額外加裝進(jìn)氣預(yù)熱裝置較為容易[8]。

表1 柴油機(jī)技術(shù)參數(shù)

根據(jù)進(jìn)氣量大、進(jìn)氣歧管腔體大、散熱快等特點(diǎn)，鑒于發(fā)動(dòng)機(jī)配套火焰預(yù)熱裝置加熱功率不足，經(jīng)反復(fù)論證和實(shí)驗(yàn)比對，確定某重型越野車進(jìn)氣預(yù)熱型式由火焰預(yù)熱優(yōu)化為大功率電熱預(yù)熱，進(jìn)氣預(yù)熱裝置采用格柵加熱器、電熱塞組合加熱型式；格柵加熱器安裝在中冷器和發(fā)動(dòng)機(jī)左、右進(jìn)氣歧管連接處，左側(cè)、右側(cè)各一只加熱器集中預(yù)熱進(jìn)氣；電熱塞安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)左、右進(jìn)氣歧管上靠近缸蓋進(jìn)氣道處，左側(cè)、右側(cè)各四只電熱塞分缸預(yù)熱進(jìn)氣；進(jìn)氣經(jīng)由空濾器、進(jìn)氣總管、中冷器、格柵加熱器、進(jìn)氣歧管、電熱塞進(jìn)入氣缸，格柵加熱器和電熱塞同時(shí)加熱整個(gè)進(jìn)氣歧管內(nèi)部的空氣，使進(jìn)氣溫度得到充分預(yù)熱[5]，圖4 為加熱器安裝布置。

圖4 加熱器安裝布置

2.1.3 柴油機(jī)起動(dòng)理論加熱量計(jì)算

柴油機(jī)順利起動(dòng)進(jìn)氣所需加熱量理論計(jì)算[7]如下：

1）壓縮多變指數(shù)n1

式中：Pca為氣缸進(jìn)氣壓力，Pca=（0.8～0.9）Pd，Pd為進(jìn)氣歧管壓力，MPa；Pcc為壓縮終點(diǎn)壓力，MPa；εcc為有效壓縮比。

2）壓縮始點(diǎn)溫度Tca

式中：Tcc為壓縮終點(diǎn)溫度，K。

3）進(jìn)氣系統(tǒng)溫度Td

式中：k 為熱利用系數(shù)，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)取1.5～2。

4）柴油機(jī)進(jìn)氣量GS2

式中：φC為充氣系數(shù)，取0.75；Vs為氣缸工作容積，L；i 為氣缸數(shù)；n 為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；R 為空氣氣體常數(shù)，R=0.287 kN·m/（kg·K）；ηs為柴油機(jī)掃氣系數(shù)，起動(dòng)過程中增壓器不工作，取1；t 為起動(dòng)時(shí)間，取30 s。

5）柴油機(jī)起動(dòng)所需加熱量Q1

式中：Cp為定壓比熱容，溫度為-21～-50 ℃時(shí)，取1.013 kJ/（kg·K）；Ta為環(huán)境溫度，K。

6）進(jìn)氣歧管壁散失熱量Q2

式中：λ 為進(jìn)氣歧管導(dǎo)熱率，材料為鑄鐵，取39.2W/（m·K）；A 為進(jìn)氣歧管內(nèi)表面積，m2；δ 為進(jìn)氣歧管壁厚，取0.01m；△T 為缸內(nèi)、管內(nèi)平均升高溫度，K。

7）加熱器所需提供的加熱量Q

根據(jù)式（2）～（8）計(jì)算，同時(shí)考慮一定的設(shè)計(jì)余量，確定BF12L513C 柴油機(jī)在-40 ℃順利起動(dòng)時(shí)需要配套兩只功率為3 000 W 格柵加熱器、八只功率為480 W 電熱塞同時(shí)預(yù)熱110 s。

2.2 電源

蓄電池輸出功率影響發(fā)動(dòng)機(jī)低溫起動(dòng)性能。輸出功率大，發(fā)動(dòng)機(jī)能在更低溫度下起動(dòng)，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)低溫起動(dòng)性能，但隨著環(huán)境溫度下降，蓄電池容量降低，輸出功率下降，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩減小，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)能起動(dòng)的最低溫度升高，起動(dòng)性能下降。

某重型越野車使用680 25D 鉛酸低溫蓄電池，其特點(diǎn)是使用薄極板來降低蓄電池內(nèi)阻，提高蓄電池輸出功率，但由于鉛酸電池固有特性，決定了其極寒條件下的大電流放電容量很難提高[2]。鋰電池功率密度和容量密度都較高，以現(xiàn)在的技術(shù)可以做到在同樣的體積質(zhì)量情況下，鋰電池容量是鉛酸電池容量的5～7 倍，且其環(huán)境適應(yīng)性優(yōu)于鉛酸電池，圖5 為不同溫度下鋰電池和鉛酸電池放電容量對比，前者遠(yuǎn)高于后者，隨著溫度的降低，差別更加明顯。

圖5 鋰電池和鉛酸電池放電容量對比

針對特種重型越野車使用環(huán)境更加惡劣的特點(diǎn)，近年國內(nèi)企業(yè)對低溫磷酸鐵鋰起動(dòng)電池進(jìn)行重點(diǎn)研發(fā)，技術(shù)獲得重大突破，現(xiàn)已進(jìn)入批量應(yīng)用階段，電池在-40 ℃低溫條件下1C 倍率放電容量保持率達(dá)到90%以上，圖6 為低溫磷酸鐵鋰電池放電性能。由于低溫磷酸鐵鋰電池充放電量受溫度變化影響較小，具有安全穩(wěn)定性好、循環(huán)壽命長、能量密度高、低溫性能突出的優(yōu)勢[9]，成為特種重型越野車的首選電源。

圖6 低溫磷酸鐵鋰電池放電性能

根據(jù)某重型越野車配套12 缸柴油機(jī)冷起動(dòng)電流大、采用大功率電熱預(yù)熱等電氣設(shè)備需要消耗蓄電池較多的電能，經(jīng)蓄電池容量匹配計(jì)算，確定選用四塊12 V 180 Ah 低溫磷酸鐵鋰電池先并后串成組為整車供電，該電池在-40 ℃低溫條件下放電電流1 000 A，放電時(shí)間超過10 min，且隨著電量的消耗，輸出功率反而提升，其有能力支持大功率的加熱設(shè)備，對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行充分預(yù)熱后還有足夠的電量儲(chǔ)備以進(jìn)行多次起動(dòng)[5]。

3 試驗(yàn)方法

3.1 試驗(yàn)狀態(tài)

試驗(yàn)車輛為8×8 全輪驅(qū)動(dòng)重型越野車，該車配套BF12L513C 風(fēng)冷柴油機(jī)、WSK400+8S221 液力機(jī)械變速器、發(fā)動(dòng)機(jī)電熱進(jìn)氣預(yù)熱裝置、四塊12 V 180Ah 低溫磷酸鐵鋰電池。

3.2 試驗(yàn)環(huán)境

試驗(yàn)車輛置于低溫試驗(yàn)室內(nèi)，待機(jī)油、柴油、缸蓋等溫度達(dá)到試驗(yàn)室環(huán)境設(shè)定溫度-40 ℃時(shí)，保溫12h 后進(jìn)行車輛起動(dòng)試驗(yàn)。

3.3 試驗(yàn)步驟

步驟1：拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)40 s，減小起動(dòng)阻力，蓄電池放電提高低溫性能，為正式起動(dòng)做準(zhǔn)備。

步驟2：起動(dòng)機(jī)停止工作20 s，蓄電池電壓得以回升。

步驟3：拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)40 s，進(jìn)一步減小起動(dòng)阻力。

步驟4：發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱110 s，提高進(jìn)氣溫度易于起動(dòng)。

步驟5：起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

4 試驗(yàn)分析

試驗(yàn)車輛在低溫試驗(yàn)室冷凍、保溫達(dá)到試驗(yàn)條件后，按照規(guī)定的試驗(yàn)步驟操作，第一、二次拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，電壓峰值為14.35 V，電流峰值為2 121.18 A，相比前期采用680 25D 鉛酸低溫蓄電池供電輸出功率有顯著提高。圖7 為車輛預(yù)熱起動(dòng)過程試驗(yàn)數(shù)據(jù)，待預(yù)熱后第三次拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，拖動(dòng)轉(zhuǎn)速從213 s 開始升至220 r/min，之后緩慢上升、著火、繼續(xù)緩慢上升，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速在260 s 時(shí)達(dá)到1 400 r/min。通過試驗(yàn)觀察，電熱預(yù)熱相比火焰預(yù)熱更利于進(jìn)氣溫度升高，可使進(jìn)氣溫度保持在80 ℃左右，改善了柴油機(jī)可燃混合氣燃燒條件，混合氣溫度提高以及轉(zhuǎn)速增加所引起的強(qiáng)烈壓縮作用，兩者相互促進(jìn)保證了柴油機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)速持續(xù)升高，最終柴油機(jī)成功著火運(yùn)轉(zhuǎn)[6]。

圖7 車輛預(yù)熱起動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

通過對重型越野車低溫冷起動(dòng)問題的分析研究，創(chuàng)新性地采用電熱進(jìn)氣預(yù)熱、低溫鋰電池等技術(shù)措施，優(yōu)化進(jìn)氣溫度、提升蓄電池輸出功率有助于提高低溫起動(dòng)性能，在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)重型越野車-40 ℃低溫條件下起動(dòng)時(shí)間不大于4 min 的要求，解決了長期以來起動(dòng)時(shí)間長、操作繁瑣的難題，可有效提高車輛高寒環(huán)境適應(yīng)性，保障上裝設(shè)備正常工作，這對于特種重型越野車尤為重要。