柴油机高原区域启动困难原因及解决方法

2019-08-16王世勋

时代汽车 2019年11期

王世勋

中国人民解放军陆军77251部队西藏自治区林芝市 860501

1 引言

海拔平均在4000米以上的西藏地区是典型的高原地带，这里的空气稀薄，并且有很大的昼夜温差，路况恶劣，很多路都建在山间悬崖边，坡陡[1]。气候变化无常，冬季气温低，降雪时间长，多霜冻。夏季降雨量大，路面经常处于泥泞状态，并易发生泥石流、山体滑坡等自然灾害[2]。其恶劣的气候条件特点如下：

（1）气候温度低。大气温度随着海拔的升高而下降，据统计，海拔每上升100米，气温下降0.6度，对海拔平均在4000米以上的西藏地区来说，其温度一般要比内地低20度以上。冬季时间漫长。

（2）空气稀薄，气压低。和温度类似，海拔越高，空气密度和大气压力越低，据统计，海平面空气密度约为1.2（kg.m3），而当海拔达到4000米时，密度则下降到了0.8（kg.m3），下降幅度达到33%，气压下降幅度则超过40%。

（3）地形复杂。高原地区由于人员稀少，道路交通状况普遍比较恶劣，道路狭窄、碎石众多，多为易发生泥石流、山体滑坡等自然灾害的冻土、山间河道、峡谷路况。

近些年来，我国在西藏等地区部署的兵力装备越来越多，军事活动越加频繁。军用车辆一般搭载柴油发动机，在西藏地区恶劣的气候条件下行驶很容易导致发动机启动困难、燃油经济性下降，并造成机件的损坏，给军事活动带来很大的不变。

在此背景下，本文研究柴油机在高寒地区容易发生的一些导致其启动困难问题，并针对这些问题提出解决措施，对延长发动机维修周期、提高发动机的使用寿命，防止行车事故，提高军事活动的效率具有重要意义。

2 柴油发动机在高寒地带可能发生的问题

2.1 发动机性能变化

2．1．1 发动机功率下降

空气密度和气压随着海拔的增大而越来越低，发动机的进气量也会随之减小，在功率下将的同时，其对燃油的消耗也明显增加。目前，我国多使用进口柴油发动机，例如NT855-C280康明斯增压发动机，该发动机正常工作海拔为3600m以内，当在超过海拔3600米以上地区工作是，每上升300米，燃油消耗率增加2%～4%，发动机功率下将 2% ～ 3%[3]。

2．1．2 扭矩下降

高海拔的气候条件会导致柴油发动机低速时可利用的废气能量减小，增压器转速下降，从而造成发动机进气量不足，最终导致发动机输出扭矩小于标定值，适应性系数减小。据统计，当海拔为0米时，发动机的最大扭矩比标定功率点对应的值增加约15%，而当海拔达到4500米时，该数值将减小至10%，并在标定转速75%处出现最大扭矩点[4]。

2．1．3 发动机冒黑烟

在高寒地带，由于空气稀薄，发动机进气量明显减小。由于过量空气系数的下降，造成发动机燃烧不充分，未充分燃烧的的燃料将会随着发动废气排除，从而导致发动机冒黑烟，并且发动机排气温度也会随之上升。相关实验表明，海拔每升高1000米，在增压发动机增油量不变的情况下，发动机的排气温度将升高20至10度。

2．1．4 增压器转速增加

目前增压发动机应用越来越多，在高寒地区可采用增压技术对损失的功率进行补偿，但是随之而来的问题是增压器的转速也将随着海拔的升高而增大，当海拔达到一定高度时，将会导致增压器超速。据实验统计，海拔每上升1000米，增压器转速将会提高5%，而通常情况下增压器的极限转速是其额定转速2.5倍左右[5]。

2.2 发动机启动困难常见原因

在高寒地带，发动机故障模式和平原地区有所不同，泄露、烧蚀、启动困难等严重的致命的故障增多，对军事活动造成了很大的不变。

与汽油发动机类似，一般四冲程柴油机也包括进气、压缩、燃烧膨胀、排气四个冲程。冲柴油机要正常启动必须具备以下条件：

（1）压缩行程结束时，气缸内的空气温度不能低于200摄氏度，以达到柴油自燃的温度。

（2）柴油机机体温度不能低于20摄氏度。

（3）压缩冲程结束时气缸内气压不能低于3Mpa。

（4）柴油机启动转速高于150r/min，才能保证燃油能顺利雾化。

柴油发动机在高寒地区无法正常启动主要有一下几方面原因：

图1 四冲程柴油发动机工作原理

2．2．1 启动时间太短

柴油机无法正常启动的一个重要原因就是蓄电池储电和和放电能力的下降。蓄电池内阻和放电能量和温度的曲线关系如图2所示，在环境温度较低时，气温每下降一度，蓄电池缓慢放电容量下降约1.5%。当温度下降到零下20°时，蓄电池的容量几乎减半[7]。所以在高原环境中，一般的蓄电池所储存的能源不能提供多次、长时间的点火启动，柴油机机体温度无法达到启动温度（20°）以上。

2．2．2 空气密度、温度低

空气密度、温度低是柴油机无法正常启动的另一重要原因。海拔超过4000米的高寒地带常年处于低温环境中，昼夜温差大，早晚温差可达到40°。空气稀薄，相对于平原地区，高寒地带的空气密度和气压可下降约40%。气压下降、温度低导致柴油机在进气行程中充气量不足，经过多次点火启动后，在压缩行程结束时，气缸内低温空气很难达到燃油自然温度。同时，较低的空气密度易造成气缸内混合气体充气量不足，空气压力无法达到3Mpa以上，造成启动困难。

图2 蓄电池内阻和能力随温度变化示意图

2．2．3 启动电机功率过小

在高寒地区，柴油机润滑机油粘度变大，活塞、活塞环、气缸与其他摩擦副之间的摩擦阻力增大。一般情况下，柴油原配启动电机功率在4Kw以下，导致柴油机启动转速达不到最低的150r/min的启动要求，从而无法正常启动。

3 解决方法

3.1 增长启动时间

3．1．1 高性能固态酸蓄电池

在高寒地区可使用与普通蓄电池结构不同的高性能固态酸蓄电池[8]，这种电池在低温时不会出现液态酸冰冻现象，其充电速度、冷启动功率等指标具有明显由于普通蓄电池，在零下40度也可正常工作，解决了低温状态下蓄电池无法提供长时间、多次启动的难题，尤其是柴油机机体以及进气管道内的空气充分预热时，尤其需要这种高性能固态酸蓄电池。

3．1．2 保温处理

在高寒地区可采用一些措施对蓄电池进行保温处理，保证在低温条件下电池能有稳定的电流输出和能量储备，提升了柴油机在低温时启动的可能性。

3.2 增大启动电机功率

把柴油机原装的4Kw小功率电机更换为6Kw以上的大功率启动电机，柴油机机体温度会在柴油机启动反复点火时不断升高，导致活塞、活塞环、气缸以及其他摩擦副之间的机油温度随之升高，机油粘度下降，减小了启动阻力矩，提高了柴油机的启动转速，增加了正常启动的可能性。

3.3 增加预热装置

由于柴油机难以启动很大一部分原因是低温导致的，可以在机体、进气管道等部位加装电加热预热装置。启动之前，通过该装置对柴油机机体、进气道内的空气进行预加热，提升机体和进气道内空气温度。当压缩行程结束时，气缸被气体温度更易达到燃料自燃点。使用预热装置时预热时间一般不要超过15s，以免损坏预热装置且浪费电量。