轮式军用车辆低温起动性能研究及模拟试验分析

赵 鼎， 宗陆宇， 赵志刚， 蒋海波， 顾 辰

(1.中国北方车辆研究所，北京 100072；2.陆军装备部，北京 100072)

轮式军用车辆低温起动性能研究及模拟试验分析

赵 鼎1， 宗陆宇1， 赵志刚2， 蒋海波1， 顾 辰1

(1.中国北方车辆研究所，北京 100072；2.陆军装备部，北京 100072)

目前,军用车辆的动力装置主要是柴油发动机，低温起动性能是其环境适应能力的一项重要指标.针对低温环境下，发动机冷起动的技术特征，从起动阻力、燃烧状态和起动力矩3方面分析了导致起动困难的关键因素；通过试验室模拟低温环境，对某轮式车辆进行常温与低温状态下的起动性能比对试验，研究分析了低温起动失效现象，提出了改善车辆的低温起动性能的措施.

轮式军用车辆；起动性能；模拟低温环境；试验分析

目前，世界各国绝大多数的高机动性军用车辆都将柴油发动机作为动力来源[1]，对于军用车辆关注的重点一般是以高温环境下的工作和贮存性能为主，并未对低温条件下的车辆性能做明确约束.但从实现全地域机动性能的角度出发，低温环境的适应性又成为衡量军车可靠性的重要指标之一.

区别于履带车辆会采用辅助加温的措施来实现严寒地区的起动，通常情况下,轮式军用车辆不会搭载加温器作为起动辅助系统.因而,分析柴油机低温冷起动时的技术状态以及对影响其起动性能的因素进行研究，可以充分发挥柴油机可靠性高、经济性好、升功率大等优势，有利于优化轮式军用车辆在低温条件下的使用性能.

1 低温起动的机理分析

柴油发动机在低温环境下顺利起动，必须满足以下条件[2]：

(1)满足低温适用性的润滑油、冷却液、柴油机燃油等；

(2)合理选用起动电源；

(3)功率充足且工况良好的起动马达.

或是采用加温器等有效的起动辅助系统，但是在轮式车辆的设计研制中，较少采用类似装置.

2 低温环境对柴油发动机的影响

从使用方面分析，造成车辆低温起动困难的影响因素如图1所示.

图1 低温起动性能影响因素

2.1 起动阻力

发动机由本体中的曲轴连杆机构、联动机构、气体分配机构，以及增压器、供给系、润滑系、冷却加温系、空气起动系等部分组成[3].由于各机构部件加工材质的差异，其膨胀系数各不相同，低温环境导致的材料形变使得发动机曲轴与轴瓦等摩擦面之间配合间隙减小[4].此外，温度降低会导致润滑油黏度增大、流动性差，易造成各摩擦面之间供油不足，摩擦阻力增大，曲轴旋转阻力矩也增加，影响起动性能.可见，低温环境所导致的柴油发动机配合间隙减小、润滑油黏度增大，是引起起动阻力变大的主要因素.

2.2 燃烧状态

柴油发动机靠压缩自燃[5].在典型的四冲程工作循环中，活塞压缩的主要功用是提高缸内空气温度，为燃料自行燃烧做准备，在起动过程中，缸内气体必须达到一定的温度和压力.车辆置于外部低温环境时，缸内气体与缸壁由于热交换造成较大热量损失，导致压缩终点温度和压力均无法达到起动的必要条件.而低温环境又导致发动机燃油的黏性和密度均增大，不利于其蒸发和雾化，气缸内部形成的混合气体不均匀，同时，未蒸发的燃油会附着在缸体内表面，造成燃烧不充分，积碳严重[6].研究表明，当温度从40 ℃降到-10 ℃时，柴油的黏度提高83 %，密度增大8 %.

在柴油发动机工作中，把进入气缸的空气温度T1可看作是柴油机压缩始点的气体温度.考虑到柴油机压缩过程中非等温、非绝热的真实状态[7]，其热力方程通常用公式pVn=const近似表示，其中，n为多变指数.换算为发动机压缩终点气体温度T2与压缩始点气体温度T1的关系，则表达式如下.

(1)

柴油机在低温条件下起动时转速低，难以形成活塞环与气缸壁之间的密封油膜，压缩混合气体的泄露量增加、压缩比下降[8]；同时,低温状态下的各零部件和气缸内的低温空气，使得柴油机在压缩过程中存在有较大热量损失.有数据表明，在压缩始点吸入的空气温度低于-20 ℃时，压缩终点气体温度小于430 ℃，即小于正常的着火温度，喷入气缸的燃料难以燃烧，无法满足其正常起动的要求.以上原因的综合作用使得柴油机在低温环境中进行冷起动时，压缩终点温度T2无法达到混合燃气的着火温度，导致起动失效.

2.3 起动力矩

起动电机的作用是将蓄电池的电能转化为机械能用以驱动发动机飞轮旋转起动的重要部件[9].由起动力矩公式可知，起动力矩与电流之间的关系为

(2)

图2 不同温度下SGB与Tem的关系

因此，在低温环境中起动柴油发动机，必然会引起电机起动力矩的减小，达不到最低转速要求，柴油机难以稳定运转.

以上是针对轮式车辆在没有加温辅助系统条件下冷起动性能难点的分析：置于外界低温环境中时，起动阻力变大、燃烧状态劣化和起动力矩减小，均是导致柴油发动机起动失效的重要原因.

3 环境模拟条件下的起动性能比较

外场试验受自然环境约束较大，尤其是考核车辆的环境适应性能时，温度条件波动大，重复性差，难以进行定量的试验研究.因此,选取某轮式军用车辆作为研究对象，在环境模拟试验室中进行常温与低温状态下的起动性能比较.

3.1 常温状态下的起动性能

将试验样车驶入环境试验室并制动，连接车辆排烟管，安装电流采集器，以20 ℃作为常温条件，保温24小时后，起动车辆，获得起动电流曲线如图3所示，车辆一次起动成功.

3.2 低温状态下的起动性能

3.2.1 传感器布置

依据该样车使用区域的特殊性，应使其满足-25 ℃低温工作性能的需求.

设定以-25 ℃作为低温条件进行冷启动试验，根据试验样车的实际状况确定测点位置，焊接辅座，或在适当位置处开孔，安装传感器.

图3 常温环境下的起动曲线

确定监测参数如表1所示.

表1 测点温度监测参数

3.2.2 低温环境模拟

防止产生温度冲击的效应，控制温度变化速率不超过3 ℃/min[10].2小时后，环境温度达到设定参数值-25 ℃(误差范围控制在±2 ℃之间)，10小时后，试验样车各测点监测参数均趋于稳定状态，与环境温度一致，之后开始进入保温阶段，并在此条件下，静置24小时.因为某些装置、系统在温度稳定后，其性能还会继续恶化，因此，需要在低温环境下有更长的暴露时间.

低温环境下各监测参数的温度变化情况如图4所示.

图4 监测参数温度变化情况

3.3 试验结果分析及改善措施

依据GJB59.3-1987《装甲车辆试验规程 起动性能试验》规定，按照操作程序起动发动机且累计起动次数不超过3次.经检查，样车起动失效，低温环境下的起动失效曲线见图5.测得最大起动电流为471.13 A，与常温状态相比较，减少约20 %.

图5 低温环境下的起动失效曲线

原试验样车搭载两块110 Ah蓄电池串联为整车供电.为使样车应对低温环境，对样车进行了技术改进，并且在样车侧面箱体内增加备用电源，即与原车同型号的两块蓄电池，串联后再与原车电源并联，并设有电源控制系统以实现是否介入备用电源.改进后样车可以低温起动.

4 结 论

通过分析柴油发动机低温起动的技术特征，对可能引起柴油机低温起动困难的因素进行分别讨论，并且通过环境试验来模拟低温条件对柴油机冷起动的影响，从而得出结论如下：

1)在低温冷起动条件下，柴油发动机技术状态主要具有起动阻力大、燃烧状态差和起动力矩小等特征.

2)根据车辆适用温度范围的要求，合理选用油料和耐低温蓄电池，从辅助材料方面保障柴油机低温冷起动性能.

3)产品样车设计中，可在适当位置预留部件升级接口，用以改善车辆的低温起动性能.除可增加备用电源等措施外，还可以在寒区加装循环加热系统，通过燃油加热器将冷却液加热后再循环，以此加热发动机，达到低温条件下起动发动机的目的.

[1] 张均享．高机动性运载车辆动力系统[M]．北京:中国科学技术出版社，2000．

[2] 刘少明，李 强，王 波．柴油机低温启动困难机理探讨[J]．移动电源与车辆，2016(4)：54-56．

[3] 闫清东．坦克构造与设计[M]．北京：北京理工大学出版社，2006．

[4] 孙 壮．装甲车低温启动试验的研究[J]．传感器与微系统，2010，29(6)：63-67．

[5] 郭猛超，王宪成，胡俊彪，等．环境对大功率柴油机缸内喷雾、燃烧与传热的影响[J]．车用发动机，2012(5)：50-52．

[6] 董 沛，郭小川，李刚林，等．高原环境对车辆动力与油品的影响[J]．兵器装备工程学报，2016，37(1)：92-96．

[7] 袁兆成．内燃机设计[M]．北京：机械工业出版社，2010．

[8] Funayama Y， Nakajima H， Shimokawa K，等．较高压缩比对柴油机性能影响的研究[J]．国外内燃机，2016(6):45-47．

[9] 王 忠，许广举，叶飞飞，等．低温环境下车用起动电机的匹配研究[J]．兵工学报,2010，31(5)：529-533．

[10] GJB150.4A—2009，军用装备实验室环境试验方法 第4部分：低温试验[S]．

TheResearchandSimulationTestontheLowTemperatureStartingoftheWheeledMilitaryVehicles

ZHAO Ding1， ZONG Lu-yu1， ZHAO Zhi-gang2， JIANG Hai-bo, GU Chen1

(1.China North Vehicle Research Institute, Beijing 100072,China;2.Army Equipment Depaitment,Beijing 100072,China)

At present, most of wheeled military vehicles use diesel engines， low temperature starting performance is one of the important vehicles environmental adaptability. In the eight of the technical characteristics of the engine low temperature starting, analyzed the key factors that influences low temperature starting from the aspects of starting resistance, combustion condition and starting torque. By comparison of the starting performance tests under the normal temperature and simulated low temperature，solved the starting failure under low temperature and provided some of methods improving the starting performance.

wheeled military vehicles; cold starting performance; simulated low temperature environment；test analysis

1009-4687(2017)04-0045-04

2017-09-26

赵 鼎(1987-),男，研究生，研究方向为车辆工程.

TJ811

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