浅析柴油车发动机低温起动困难原因及其改善措施

吴放明，郑艳刚，孙 灿，邵 波，石明辉

（北京汽车研究总院有限公司电子电器与空调部，北京 101300）

浅析柴油车发动机低温起动困难原因及其改善措施

吴放明，郑艳刚，孙 灿，邵 波，石明辉

（北京汽车研究总院有限公司电子电器与空调部，北京 101300）

为了改善某款军用越野车在-30～-41℃低温环境下的冷起动性能，通过多轮整车低温冷起动试验，并采集起动机的起动电流、发动机起动转速、冷却液温度等参数，对试验数据进行分析，确定发动机在低温时起动困难的原因。通过优化发动机ECU低温标定数据，选取低温性能更好的蓄电池，降低起动回路压降等措施，改善了该军用越野车的低温起动性能。

蓄电池；低温；冷起动

中国地域辽阔，多地冬季平均温度都在-10 ℃以下，其中平均温度在-25 ℃以下的地区占到全国总面积的25%，内蒙古、新疆、西藏等西北地区最冷月份平均温度在-25～-41 ℃之间。因此，车辆在低温环境下的起动尤为重要，特别是柴油车型，低温下的起动比汽油车要困难。

柴油车的冷起动性能是柴油车的重要性能指标之一，它不仅关系到发动机的工作效率，而且会影响到它的使用寿命；如果在低温下不能起动，会给用户带来许多不便及抱怨［1］。一般民用汽车在环境温度低于-20 ℃的情况时，车辆可置于暖库内，或者采用外接电源的方式来跨接起动车辆；但作为军车必须具有良好的机动性、可靠性和环境适用性。因此，军车要求具有在-30～-41 ℃极端低温环境依靠自身配置的冷却液加热装置和蓄电池来起动车辆发动机的能力。本文对某款军用越野车在低温环境下起动困难的原因进行分析，通过试验验证找到改善其冷起动性能的措施。

1 故障描述及初步分析

2014 年冬季，某款军用越野车在漠河进行寒区适用性试验，其中包括整车低温冷起动试验。在-30～-41 ℃的环境温度下，整车静置12 h后进行多次冷起动试验，其中在环境温度低于-37 ℃的情况下，发动机都无法正常起动。

在冷起动失败的整个起动过程中，能听到起动机处有“嗒嗒嗒”的声音，起动机拖动无力、拖动转速低，而且在起动过程中组合仪表出现黑屏、灯光变暗的现象，停止点火后组合仪表和灯光又恢复正常。之后更换常温（未冷冻）蓄电池进行起动，发动机能正常起动。表1为试验过程中测得的试验数据。从数据中可以看出，随着环境温度的降低，在起动过程中，蓄电池的端电压会逐步降低；而在起动试验的过程中出现的组合仪表黑屏、灯光暗淡等现象，也反映出蓄电池的电压已经低于车上用电设备的正常工作电压。

根据发动机厂家提供的资料，该柴油发动机起动时要求不低于120 r/min，低于此值，发动机将很难起动。从试验数据分析表明，第1、2、3次试验，在起动过程中发动机的最低拖动转速均大于120 r/min，则发动机起动成功；在第4～7次试验，发动机最低拖动转速最大只有80 r/min，不满足发动机厂商要求的最低起动转速，最终导致发动机无法起动。

在起动过程中，蓄电池主要影响起动机的起动力

表1 2014年整车低温冷起动试验测试数据

1）采用冷却液加热装置对发动机冷却液进行加热15 min；2）发动机最低拖动转速是指在发动机刚开始被起动机拖动时发动机曲轴的最低转速。矩和拖动转速，蓄电池端电压越高，起动机电枢的电压越高，拖动转速也越高；蓄电池输出电流越大，拖动转矩越大，起动机更容易拖动发动机转动。但随着温度的降低，铅酸蓄电池的电解液粘度增大，渗透能力下降，内阻增加，促使蓄电池容量与端电压下降。由于蓄电池容量在低温条件下明显降低，使起动机输出功率下降，产生的起动力矩下降，因此发动机的拖动转速下降，当拖动转速低于120 r/min时，发动机将很难起动。

经过上述分析，初步判断发动机起动失败的主要原因是：整车所选用的蓄电池低温性能较差，在环境温度低于-35 ℃后，其蓄电池容量明显降低，内阻增大，端电压下降，无法使起动机正常工作。

2 试验方法

考虑到在寒区试验过程中，整车是在室外静置12 h后再开始进行试验，环境温度是测量试验开始前的温度；因为室外温度不是一直保持不变，白天温度比夜晚要高，从表1可以看出试验前发动机冷却液、机油和蓄电池电解液的温度均比环境温度要高。发动机冷却液过低时，气缸、燃烧室等机件散热快，气缸内的温度不易达到柴油的自燃点；机油温度偏低时，机油粘度增加，增大了发动机的转动阻力；蓄电池电解液温度过低，蓄电池内阻增大，蓄电池容量明显下降，放电性能较差。因此，从整车设计角度来看，应该考虑整车可能会遇到的最恶劣的情况，考虑发动机冷却液、机油和蓄电池电解液的温度均与环境温度达到平衡后的情况下，发动机是否能顺利起动。

为了进一步验证分析，在2015年初安排了数次整车冷起动试验，试验在低温环境舱内进行。试验共分5个温度点进行，分别为0 ℃、-15 ℃、-30 ℃、-35 ℃、-41 ℃，试验过程中均采用型号为CH-4 0W40的低温机油，采用耐-50 ℃低温的发动机冷却液和柴油。在整个试验过程中监测发动机冷却液、燃油、机油和蓄电池电解液的温度；在发动机起动过程中采集蓄电池端电压、起动电流、发动机转速、起动时间等参数，见表2。

表2 2015年整车低温冷起动试验数据

1）0 ℃、-15 ℃、-30 ℃试验法 将试验车辆静置在相应温度的环境舱内24 h，待发动机冷却液、燃油、机油、蓄电池电解液的温度与环境温度一致后，将点火开关拧至IG挡，待发动机进气预热指示灯熄灭后，完全踩下离合踏板，将点火开关拧至起动挡进行起动。

2）-35 ℃、-41 ℃试验法 将试验车辆静置在相应温度的环境舱内24 h，待发动机冷却液、燃油、机油、蓄电池电解液的温度与环境温度一致后，按下发动机预热按键开启冷却液加热装置，对发动机冷却液进行加热，加热25 min后，将点火开关拧至点火挡，待发动机进气预热指示灯熄灭后，完全踩下离合踏板，将点火开关拧至起动挡进行起动。

3 验证分析

3.1 蓄电池放电能力分析

从表2试验数据可以看出，随着温度的降低，蓄电池的端电压越低。在-41 ℃下蓄电池的最低端电压仅为4 V左右，已经远低于EMS、组合仪表等电器设备的最低工作电压（6 V）。

3.2 发动机软件标定分析

通过对-30 ℃的低温冷起动试验数据进行分析，在整个起动过程中共进行3次点火，第1、2次起动过程中起动机的拖动转速比较平稳，经过一段时间后发动机出现断续着火声，发动机也开始工作，但松开钥匙后，发动机立即熄火。第3次起动虽然成功，但整个起动过程持续40多s，已经超出标准GB/T 12535—2007《汽车起动性能试验方法》［2］中规定的低温起动拖动时间不超过30 s的要求，因此，最终判断起动不成功。

图1为第3次起动过程中蓄电池电压和发动机转速的曲线图。在整个起动过程中蓄电池的平均电压达到9.9 V，且在起动过程中起动机拖动有力，因此，蓄电池的电量满足要求。从图1中可以看出，在起动第5 s的时候，发动机转速就达到363 r/min，已经远高于发动机起动的最低转速120 r/min，发动机也有明显的着火迹象，但发动机一直未能顺利起动，当松开点火钥匙后发动机转速明显下降，且有熄火的可能，需要继续将钥匙打到起动挡让起动机继续保持工作，发动机转速回升，同时需要轻踩油门，经过一段时间后发动机转速平稳可以自行运转。由此可见需调整起动过程中的发动机喷油量，予以适当加大，点火提前角需适当增大。

图1 第3次-30℃低温冷起动试验记录曲线

3.3 冷却液加热装置效果验证

该军用越野车装配了冷却液加热装置，该装置由蓄电池供电，使用柴油作为燃料，可在-41 ℃正常工作。油泵从油箱吸入燃油，在加热器燃烧室中挥发成燃油蒸气后，与助燃交换器将热量传导给循环液体，使其在整个发动机冷却系统强制循环，适当提高发动机机体及机油温度，减小起动阻力，提高燃油雾化效果，从而达到改善低温起动性能的目的［3］。在-35 ℃的冷起动试验中，由于采用了冷却液加热装置对发动机冷却液进行加热，发动机机体和机油温度得到适当提高，减小了起动阻力，起动机在起动时所需的起动电流较-30 ℃时要小很多，所以发动机起动比在-30 ℃（不采用冷却液加热装置）时要顺利得多。

由此可见，冷却液加热装置对改善发动机的起动有很大的作用。在环境温度-41 ℃的情况下，采用冷却液加热装置对发动机冷却液进行加热时，发动机冷却液的温度曲线图如图2所示。在加热15 min后，冷却液加热装置进水温度值为32.7 ℃，出水温度为39.6 ℃；而在加热25 min后进水温度达到61.10 ℃，出水温度达到67.30 ℃。

图2 发动机冷却液的温度曲线图

通过上述试验分析，基本可以确定影响发动机起动的因素。

1）随着温度的降低，蓄电池电解液粘度增大，向极板的渗透能力下降，内阻增加，蓄电池的放电能力越差；起动过程中起动机的电压低于6 V后发动机将很难起动。

2）该军用越野车所配置的柴油发动机未针对-30 ℃及以下温度做过低温标定，需要进行标定优化。

3）通过冷却液加热装置对发动机冷却液进行加热，加热时间只有15 min，时间太短，导致发动机冷却液的温度偏低，不足以使发动机缸体得到充分的预热。

4 解决措施

4.1 选用低温蓄电池

从起动效果上讲，蓄电池容量越大，整车起动能力越强，但大容量蓄电池带来成本高、质量大、空间布置困难的压力［4］。该军用越野车现有的蓄电池为100 Ah的普通免维护铅酸蓄电池，其尺寸为352 mm×175 mm×190 mm。由于受整车布置空间限制，蓄电池的尺寸不能比该蓄电池大。根据GB/T 5008.2—2013《起动用铅酸蓄电池 第2部分：产品品种规格和端子尺寸、标记》［5］中表6、7规定，蓄电池容量越大，其尺寸越大。因此，通过选用大容量蓄电池的方案行不通，只能在现有蓄电池的基础上进行改进，或选用与现有蓄电池尺寸相近的低温蓄电池。

通过调查其它军车的蓄电池，发现某款军用装甲车所采用的型号为6-QW-80的蓄电池，其低温性能较好，满足该军用装甲车在-41 ℃环境温度下的低温起动要求。该蓄电池的尺寸为302 mm×172 mm×220 mm，其尺寸比现有100 Ah的蓄电池尺寸小，满足该款军用越野车整车布置要求。

该蓄电池是专门给某军用装甲车开发的一款低温蓄电池，其特点是使用薄极板来降低蓄电池的内阻。与其它公司同规格蓄电池相比，蓄电池正负极板的厚度要薄很多（表3），这样，在同样大小的蓄电池壳中的极板片数增加，与电解液的接触面积增大，使蓄电池电荷量增加，降低了内阻，提高了蓄电池的输出功率。

表3 6-QW-80低温蓄电池与其它公司同规格产品对比

另一方面，引起蓄电池在低温下工作能力显著降低的主要原因是极板过早钝化。在低温大电流放电时，正负极板上发生的反应生成Pb2+离子，Pb2+离子与硫酸反应，生成大体积的PbSO4覆盖于海绵状铅的表面，过早出现钝化之状，使得硫酸不能顺利扩散到多孔电极的深处，电极内部残留较多的未反应物质；同时，放电反应产物PbSO4使蓄电池的内阻随放电而增大。

为避免负极板放电时出现连续的PbSO4钝化层，调整负极板铅膏中膨胀剂的配比。膨胀剂是按一定比例的木素磺酸钠、BaSO4、碳黑的混合物，这些物质吸附在铅表面，在蓄电池放电期间，遏制PbSO4钝化层的沉积，辅助生成多孔的硫酸铅层，改善了负极活性物质沿厚度方向的均匀程度，推迟了铅电极的钝化，有利于铅电极的深度放电。

通过对寒区和环境舱的冷起动试验数据分析，如要保证起动过程中发动机的最低拖动转速达到120 r/min，则蓄电池在起动过程中的最低端电压必须在7.0 V以上，起动过程中的平均电流大约在500 A左右。另外，发动机起动时间通常小于10 s，但有些失调的发动机起动时间可能需要30 s。因此，新开发的蓄电池必须达到：蓄电池在-41 ℃的低温环境下冷冻24 h后取出，在5 min内以510 A电流放电30 s后，蓄电池的端电压不低于7.2 V。

对改进后的蓄电池进行-41 ℃低温放电试验（图3），放电电流为510 A，放电30 s后蓄电池的端电压为7.409 V，蓄电池性能达到预期要求。

图3 改进后蓄电池-41 ℃低温放电曲线

4.2 发动机软件标定优化

通过环境舱试验，采集起动过程中发动机的喷油量、轨压、起动转速等参数，由发动机厂继续优化如下低温冷起动时的参数：①起动过程喷油量；②起动过程中主喷油量和轨压及点火提前角；③起动过程的预喷油量、轨压、点火提前角；④预热控制。

图4表明：发动机软件标定重新优化后，4 s后发动机就已经起动。由此可见，通过优化发动机低温下的参数，有利于发动机低温冷起动性能。

图4 发动机标定优化后的-30℃低温冷起动试验记录曲线

4.3 冷却液加热装置工作时间优化

通过试验验证，适当延长冷却液加热装置工作时间能有效改善发动机起动性能，将冷却液加热装置的工作时间由原来的15 min延长到25 min。从图2可以看出工作到25 min后冷却液加热装置的出水温度达到67.30 ℃，达到冷却液加热装置设定的预热平衡温度，较15 min时的温度提高了近28 ℃，效果比较明显。

4.4 减小起动回路电阻

通过上述试验验证，起动机在低温冷起动时起动电流很大，-41 ℃时平均起动电流在500 A左右。由于起动回路中线束存在一定的线阻，从蓄电池到起动机之间的线路存在的压降较大，因此适当减短导线长度或增大导线的线径都可以降低线路的压降。该军用越野车的蓄电池和起动机位置已经确定，导线的长度无法减短，导线的线径可由原来的20 mm2更改到30 mm2，起动回路的线阻可降低0.0011 Ω，压降可减少0.55 V。

4.5 增加蓄电池保温装置

由于铅酸蓄电池受温度的影响比较大，温度越低，蓄电池的容量和放电性能越差，因此，可以考虑给蓄电池增加保温装置，在低温环境下可延缓蓄电池电解液温度下降的速度。

蓄电池的保温罩主要采用密胺泡沫塑料（三聚氰胺）的材料，该材料具有良好的隔热、保温效果。将包裹保温罩的蓄电池和未包裹保温罩的蓄电池同时放在低温箱内（温度设为-41℃）冷冻24 h，并实时采集蓄电池电解液的温度。如图5所示。

图5 蓄电池温度对比

冷冻12 h，包裹保温罩的蓄电池温度为-28.4 ℃，未包裹的蓄电池温度为-38.8 ℃；冷冻24 h，包裹保温罩的蓄电池温度为-36.9 ℃，未包裹的蓄电池温度为-40.9 ℃。由此可见，通过增加蓄电池保温罩可以有效延缓蓄电池电解液温度的降低。

5 总结

后续对该军用越野车进行了多次-30 ℃和-41 ℃温度下的整车低温冷起动试验，发动机均能顺利起动。经过上述分析及验证表明：①选用低温蓄电池对冷起动有效；②延长冷却液加热装置的工作时间，有效提升发动机冷却液温度，可有效改善发动机起动条件；③发动机低温起动标定数据对冷起动影响很大；④适当增大起动回路线径，降低起动回路阻抗，可有效改善起动条件；⑤给蓄电池增加保温装置，可有效延缓蓄电池内部电解液温度的降低，提高蓄电池在低温环境下的性能。

［1］ 孙文政，宋伟，吕传志. 柴油车冷起动性能的研究［J］.轻型汽车技术，2016（6）：10-12.

［2］ GB/T 12535—2007，汽车起动性能试验方法［S］.

［3］ 张荣华，韩大伟，赵洁，等. 重型汽车低温起动措施研究及应用［J］. 汽车电器，2014（9）：56-60.

［4］ 柯河清，李晓莲，鲁宝全，等. 商用柴油车冷起动系统研究［J］. 汽车电器，2015（7）：12-14.

［5］ GB/T 5008.2—2013，起动用铅酸蓄电池 第2部分：产品品种规格和端子尺寸、标记［S］.

（编辑 杨 景）

Reason Analysis and Improvement Methods of Low Temperature Start Issue on Diesel Engine

WU Fang-ming， ZHENG Yan-gang， SUN Can， SHAO Bo， SHI Ming-hui
（Electronic Electric & Air Condition Department， Beijing Automotive Technology Center， Beijing 101300， China）

To improve cold start performance of a military off-road vehicle in the low temperature environment of -30 ℃～-41℃，through multiple low temperature start test and collection of the starting current， engine speed， coolant temperature and other parameters， the test data is analyzedto determine reasons for difficult starting at a low temperature. Through optimizing the low temperature calibration data of engine ECU， choosing battery with better low-temperature performance， and reducing the voltage drop of starting circuit， the low temperature starting performance of the military off-road vehicle is improved.

battery； low-temperature； cold start

U463.6

A

1003-8639（2017）04-0024-05

2016-11-17

吴放明（1979-），男，江西萍乡人，工程师，主要从事汽车电器设计工作。