王殿偉，王樹城，裴艷紅，張敬貴，史孝杰

（1.100000 北京市 北汽福田汽車股份有限公司 北京配件銷售分公司；2.250100 山東省 濟南市 山東省農業(yè)機械科學研究院；3.262500 山東省 濰坊市 青州邵莊鎮(zhèn)綜合文化服務中心；4.100000 北京市 北京福田汽車股份有限公司 工程研究總院）

0 引言

中國北方地區(qū)冬季遭遇低溫天氣時，氣溫長時間維持在-35 ℃以下，導致發(fā)動機難以啟動，車輛無法正常行駛[1-2]。部分用戶反饋車輛在停駛4 h以上時發(fā)動機無法起動，用傳統(tǒng)火烤油底殼方式易造成發(fā)動機配裝的塑料油底殼被烤裂、泄露機油的問題；部分車輛發(fā)現(xiàn)燃油粗濾器凍裂和燃油管堵塞問題。孟宵等[3]進行了東風柴油機的低溫冷起動試驗，0W/30 CF-4 柴油機油能保證發(fā)動機在-40 ℃正常起動；Shi 等[4]研究了不同進氣加溫方式對柴油機低溫起動的影響，發(fā)現(xiàn)采用主動式進氣預熱裝置能夠取得最佳的性能。Fang 等[5]通過進氣火焰預熱可以提高汽車柴油機的起動成功率。另外，采用暖風加熱機體可減少摩擦損失，進而提高卡車起動成功率。本文以GTL 超能版車型為例，分析故障和車輛使用情況，提出了適應性改善優(yōu)化方案并設計了柴油及潤滑油預熱裝置。

1 卡車車輛在極寒環(huán)境下無法起動原因分析

1.1 用戶使用情況分析

通過對用戶使用情況進行調研，使用-35 ℃的油品的為60%，有40%的用戶使用的油品不能適應低溫，只能通過額外加熱的方法起動發(fā)動機。用戶幾乎全部加注15W-40 四季機油，部分用戶甚至加50 機油，而非10W-30 的冬季機油，原因是擔心機油過稀，油膜建立不夠或機油壓力不足，長期頻繁起動，造成發(fā)動機早期磨損。用戶特別擔心10W-30 冬季機油在大負荷運行、高溫環(huán)境起動、發(fā)動機超過30 萬km 后配合間隙變大時的潤滑效果是否良好。由于普遍認為冬季油對發(fā)動機有損害[6]，較少人嘗試加注5W-10 超低溫機油，用戶通常認為加熱油底殼提高機油溫度對發(fā)動機更好，可減少異常磨損。

1.2 卡車自身情況分析

影響發(fā)動機啟動的因素主要包括發(fā)動機潤滑油、變速箱齒輪油、燃油及燃油濾清系統(tǒng)、電瓶、進氣預熱等[7]。

（1）發(fā)動機潤滑油：包括發(fā)動機潤滑油凍實，油底殼是否可以烤以及防凍液溫度。冷卻液的溫度對發(fā)動機磨損影響巨大，同樣，環(huán)境溫度對發(fā)動機潤滑影響也很大，讓發(fā)動機潤滑溫度在最佳范圍，能有效提高潤滑效果。實驗證明，發(fā)動機潤滑油溫度在20～30 ℃時，潤滑效果最佳，如圖1所示?？梢姡S著發(fā)動機潤滑油溫度的上升，起動系統(tǒng)輸出功率也隨之增大。低溫環(huán)境下，潤滑油溫度每變化1 ℃，對冷起動性能產生顯著影響。

圖1 發(fā)動機潤滑油溫度與起動系統(tǒng)輸出功率之間的關系Fig.1 Relationship between engine lubricating oil temperature and starting system output power

防凍液加熱的目的是建立駕駛室暖風和提高整個發(fā)動機機體溫度。特別是ISG 發(fā)動機機油冷卻模塊的機油存儲量，若機油足夠滿足啟動潤滑，防凍液加熱缸體時已經把這部分機油加熱，起到避免發(fā)動機異常磨損的作用。油底殼設計增加防凍液循環(huán)水水道，用于加熱油底殼機油，但需要注意循環(huán)水加熱機油對機油品質是否有影響。

（2）變速箱齒輪油：包括變速箱油是否凍實、氣路密封性是否良好以及離合器助力泵油是否凍實。即使在空擋情況下啟動車輛，理論上除輸出軸2 軸外，變速箱1 軸、中間軸等齒輪仍然會與發(fā)動機輸出軸一起轉動。啟動整車時，踏下離合器片可以提高發(fā)動機起動性能，減少對起動機和電瓶甚至變速箱的損耗。

（3）燃油及燃油濾清系統(tǒng)：燃油是否結蠟，濾清系統(tǒng)燃油阻力是否增大或者堵塞，燃油系統(tǒng)加熱能力是否能夠保證濾清系統(tǒng)不被凍實。目前呼倫貝爾燃油均為-35 ℃低溫燃油，燃油結蠟會堵塞燃油管和濾清器。一部分ISG 發(fā)動機粗濾較細，過濾能力低，柴油低溫時即使低溫標號燃油流動性也會變差，造成燃油供應不足，影響發(fā)動機動力性。

（4）電瓶：電瓶性能是否正常和電量是否足夠。GTL 超能版車型原電瓶為180A 或195A，現(xiàn)已全部切換為與ETX 車系一致的165A，表現(xiàn)為電瓶容量偏小，影響起動性能；另外電瓶質量差，無法達到市面上同型號電瓶性能而影響卡車啟動。

（5）進氣預熱：預熱能力是否足夠。目前福田戴姆勒和福田康明斯聯(lián)在黑龍江黑河做ISG 超能動力低溫起動性能試驗，使用10W-30 機油，變速箱使用耐低溫齒輪油（保證不凍結）情況下，-30 ℃時無需輔助加熱能夠正常起動。

2 解決方案

2.1 適應性改善優(yōu)化方案

2.1.1 對庫存已售車輛進行維修改進

（1）更換燃油進油管直徑為16 mm，避免太細容易結蠟，影響進油量；（2）更換15W-40 四季潤滑油為10W-30 冬季潤滑油，并培訓承諾客戶ISG 發(fā)動機使用10W-30 冬季潤滑油，一年四季、南方北方都能夠滿足潤滑要求；（3）增加一級水寒寶，即增加一級具備過濾水和電動泵油功能的粗濾。方案（1）和方案（2）基本能夠保證無需輔助加熱情況下，-35 ℃以內能夠正常啟動，加之部分客戶會改裝增加小鍋爐加熱循環(huán)水，進一步提高啟動能力。

2.1.2 對新下線車輛的處理方案

（1）更換燃油進油管直徑為16 mm；（2）長城以北運行車輛將15W-40 四季潤滑油更換為10W-30 冬季潤滑油；（3）在保證10 萬km 保養(yǎng)周期前提下，優(yōu)化ISG 發(fā)動機燃油粗濾性能和功能，增加電動泵、濾清系統(tǒng)底部整體加熱功能；（4）試驗性增加獨立離合器分離專用儲氣筒；（5）提高電瓶性能（提高165A 電瓶質量性能或者寒區(qū)提高電瓶型號為180A）；（6）替換金屬油底殼，客戶可以適當利用噴燈，避免客戶因低溫強制起動對發(fā)動機造成損害，打消客戶顧慮。

2.2 加裝柴油及潤滑油預熱裝置

柴油車油液預熱系統(tǒng)，利用熱交換系統(tǒng)排出的高溫氣體（約350 ℃）對發(fā)動機潤滑油底殼進行加熱，最大限度提高潤滑油溫度，通過獨創(chuàng)的引風裝置有效利用熱量，解決因潤滑油溫度低對發(fā)動機造成的負面影響，讓發(fā)動機在最佳溫度、最佳潤滑條件下工作，以達到最好的經濟性。以錫柴CA6DL2，257.4 kW 發(fā)動機為例，該系統(tǒng)預熱發(fā)動機小循環(huán)冷卻液24 L，潤滑油油道內4 L，油底殼存油20 L，并將發(fā)動機內燃油0.2 L 同時預熱，綜合預熱效果十分明顯，讓發(fā)動機始終處于最佳工作狀態(tài)下啟動。

在保證柴油機正常工作的前提下，為了減少該項損失提高燃油經濟性，應盡量提高冷卻液的溫度，并讓潤滑油溫度保持在20～30 ℃。以“壓燃”為點火方式的柴油發(fā)動機決定了氣缸壁與活塞環(huán)的配合間隙是發(fā)動機設計的核心技術之一，為了使發(fā)動機有效功率最大化，通常以冷卻液最高溫度區(qū)間80～95 ℃作為發(fā)動機氣缸配合間隙的設計溫度。因氣缸壁與活塞環(huán)的配合間隙非常小（通常為絲微米級），易受環(huán)境溫度變化影響。車輛啟動時冷卻液溫度與大氣溫度（-40～40 ℃）基本相同，在環(huán)境溫度低于-40 ℃的情況下，配合間隙變小，磨損加劇，所以啟動時磨損非常嚴重，即使發(fā)動機啟動升溫時間很短，但發(fā)動機的磨損卻占總量的50%左右，環(huán)境溫度越低起動磨損越大。

為更有效地利用熱量，車輛加裝該系統(tǒng)以近發(fā)動機為原則，同時根據(jù)不同車型推出最佳安裝位置（近發(fā)動機水路，近發(fā)動機油底），電源取自車載電瓶，安裝步驟：

（1）選擇預熱系統(tǒng)安裝位置及安裝固定臺架。預熱系統(tǒng)須安裝在發(fā)動機附近，避開旋轉、運動及不耐熱部件，且不妨礙車輛日常保養(yǎng)與檢修；與發(fā)動機及其他熱源的距離不小于10 cm，且不能高于發(fā)動機，也不能置于車底盤之下。

（2）判斷原車水路循環(huán)方向及連接循環(huán)管路。首先將發(fā)動機回水管與預熱系統(tǒng)出水口連接，再將暖風回水管與預熱系統(tǒng)水泵進水口連接。循環(huán)管路連接并固定，避開高溫和易摩擦處，整體管路需預防擠壓、割破，避免出現(xiàn)水路不通暢、滲漏等現(xiàn)象。

（3）油路安裝。在油箱上端蓋處選取適當位置，開Φ8 mm 的圓孔，將油箱立桿與油箱固定，另一端與柴油機油液預熱系統(tǒng)固定，并確保油管下端和油箱底部的距離為20 mm 左右，并將立桿調整到不影響浮子運動為佳。

（4）電路的2 種連接方式：將預熱系統(tǒng)開關板安裝在駕駛室控制臺面，連接方式如圖2 所示。電路連接完成應理順線束并固定，禁止用鐵絲捆綁，避開運轉和高溫部件，嚴禁線束外表損壞和短路。

圖2 2 種油液預熱系統(tǒng)電源線連接示意圖Fig.2 Power line connection schematic of two kinds of oil preheating system

（5）預熱系統(tǒng)的安裝。因潤滑油油底殼引風預熱系統(tǒng)在工作時溫度較高，所以安裝時應注意遠離易燃及不耐熱部件（如原車線束、塑料護板等）。安裝位置必須高于汽車底盤。把預熱系統(tǒng)的出氣口與油底殼引風預熱裝置固定牢固，依次固定至發(fā)動機油底殼的底部。

（6）初裝調試。啟動發(fā)動機，排出水路中的氣體，查看附加管路有無泄漏現(xiàn)象，檢查防凍液是否缺少，如缺少須添加至標準量，啟動柴油車油液預熱系統(tǒng)。

實驗證明：低溫啟動時，起動機消耗的電流很大，為常溫起動的6～10 倍，溫度越低，發(fā)動機啟動時所需的瞬間電流越大，啟動時間越長對電瓶的損壞越大。

3 改進后的優(yōu)勢

車輛完成改裝后普遍反饋比改裝前啟動性能提高，同時其他方面也有顯著改善。本套柴油車油液預熱系統(tǒng)是四季適用的預防性維護產品，有較強的實用性。以257.4 kW 柴油車安裝本系統(tǒng)后實驗，每天啟動該系統(tǒng)2 次，行駛300 km，按300 d 行駛90 000 km 測算，最低節(jié)油6.25%，即2 250 L 以上，經濟節(jié)油近2 萬元。由于發(fā)動機內各部件在最佳溫度下工作，進而大大減小了各部件之間的磨損，保持車輛在最佳狀態(tài)下工作，意味著大幅減少維修次數(shù)和時間，同時降低起動電流和起動阻力，成倍提高電瓶和起動機的使用壽命。

本系統(tǒng)除具冬季冷啟動功能外，還有其他方面作用：（1）保護起動機。使用該系統(tǒng)后發(fā)動機在熱車狀態(tài)下啟動，起動機工作時間大大縮短，起動電流顯著降低，因此起動機使用壽命成倍增加；（2）冬季起動方便快捷。我國北方地區(qū)冬季十分寒冷，極限溫度在-40 ℃左右，加裝預熱系統(tǒng)后，發(fā)動機啟動前溫度遠高于環(huán)境溫度，便于啟動；（3）駕駛室供暖。發(fā)動機冷卻液在該系統(tǒng)中循環(huán)加熱，溫度上升到80 ℃，車內暖風打開后便有較高的初始溫度，可為駕駛員提供良好的工作環(huán)境溫度。中途因故停車時無需啟動發(fā)動機，只需起動該系統(tǒng)即可取暖，從而節(jié)省燃油；（4）環(huán)保。發(fā)動機低溫啟動時，燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象十分明顯，15 ℃時發(fā)動機始終處于失火狀態(tài)；20 ℃時，著火點均出現(xiàn)在 7 °CA ATDC 之后，缸內最高燃燒壓力較低；40 ℃和60 ℃時著火點小于4.5 °CA ATDC；80 ℃以后，各循環(huán)最高燃燒壓力、前后缸壓曲線變化更加平穩(wěn)，著火點提前至3 °CA ATDC。使用該系統(tǒng)之后，能夠將發(fā)動機冷啟動產生的CO、碳氫化合物、NOX等排放降低67%。

4 結語

鑒于北方地區(qū)的氣候和用戶的特殊性，應在產品開發(fā)上提高適應高寒地區(qū)的特性，滿足客戶只需提前打開預熱獨立熱源20 min 左右，無需任何多余動作，上車即可與常溫時一樣一次起動。為了達到這個目標，一方面提出適應性改善優(yōu)化方案，如更換更粗燃油進油管，換裝冬季潤滑油；另一方面設計了柴油及潤滑油預熱裝置，用于車輛冬季冷啟動，不僅保護了起動機，給駕駛室供暖，還能夠減少CO、碳氫化合物、NOX等污染物的排放。