工程机械发动机冷启动问题解决方案

2020-03-19

建筑机械化 2020年1期

（山推工程机械股份有限公司，山东济宁 272073）

工程机械应为范围广且常工作在最恶劣的环境条件下（例如沙漠、矿山、高原等），随着工程机械整体技术的不断发展，工程机械不断挑战各种极端工况，包括极端高热、多尘、高湿、极寒等作业工况。一些工程机械（例如推土机、平地机、装载机等）根据工程需求，需要常年在一些高纬度地区以及高原等寒冷地区工作，此时，良好的冷启动性能是低温寒冷区域工程机械正常作业的必要前提。特别是一些国家或地区（如俄罗斯、立陶宛等国），冬季环境温度常常在-35℃以下，属于极寒环境，需要工程机械采取相应措施来保证整车具有良好的启动性能，来保证整车在寒冷工况下的正常作业。

工程机械的动力源通常为柴油发动机，柴油机的启动性能对整车使用的可靠性、方便性、耐久性和燃料经济性等都具有一定的影响，启动不可靠是整机不可靠的表现之一。启动不便，则增加劳动者劳动强度，大大降低工程机械的机动性，并且启动磨损同样占柴油机总磨损的很大部分，因此快速启动后使发动机过渡到正常工作阶段能够大大减少启动磨损。

1 柴油发动机启动原理介绍

柴油发动机属于压燃式内燃机，柴油通过喷油器喷入燃烧室后分散成小油滴，通过加热、蒸发、扩散后形成油气混合气，在一定的温度和压力条件下，油气混合气着火，从而使发动机启动。

因此发动机着火启动需要的条件有：①形成可燃混合气，在可燃混合气中，燃料蒸汽与空气比例在一定的范围内，称为着火界限；②可燃混合气必须加热到一定温度，称之为着火温度。

2 柴油发动机低温冷启动困难产生的原因

一般发动机在不增加冷启动辅助措施时可保证发动机在-15℃时正常启动，当温度低于-15℃时，则需要增加相关冷启动装置，通常国内工程机械环境适应温度一般为-35～50℃，而国外俄罗斯等极寒地区冬季环境温度常常会低于-35℃。

造成在冬季或寒冷地区气温较低时发动机启动困难的原因主要有以下几个方面。

1）寒冷或极寒气温条件下，发动机曲轴旋转阻力矩和启动转速在低温条件下受机油黏度的影响，随着外界温度降低，发动机机油黏度增大，流动性能变差，甚至凝结，从而加大发动机曲轴的转动阻力矩，使发动机启动转速降低，造成发动机启动困难。

2）柴油发动机为压缩点火，在低温条件下易造成其进气温度和压力都过低，同时，环境温度过低，柴油雾化效果差，机体散热快，气缸的密封性较差，压缩比降低，发动机难于启动。

3）工程机械通常由启动马达带动发动机启动，使发动机具有一定的启动转速，压缩油气混合气着火。外界气温过低时，蓄电池的输出能力降低，蓄电池电解液的黏度增大，向极板的渗透能力下降，内电阻增加，使蓄电池容量及端电压下降，甚至不能放电，电压降低使发动机的启动马达得不到所需要的输入功率，易造成启动困难。

3 柴油发动机冷启动问题解决措施

3.1 发动机进气预热

发动机进气预热可分为两种：电加热进气预热和火焰进气预热。通常进气预热与火焰预热装置均为发动机厂家配备，作为发动机的选配功能，主机厂在选用发动机时根据主机的适用区域工况选择是否需要配置进气预热装置。

电加热进气预热其原理是通过电加热发动机内置在进气歧管部位的加热格栅从而对发动机进气进行预热，其结构如图1 所示。电加热格栅原理上是串联的电阻，通过螺栓固定在进气歧管通道上，格栅通电加热后，进气歧管中的空气经过格栅后被加热。电加热进气预热系统结构简单，应用广泛，3L 以上柴油发动机上普遍采用在进气歧管处增加电加热格栅，工作不消耗氧气，不增加排放。其缺点是每次启动加热需要消耗大量蓄电池电能，长时间不能启动容易造成蓄电池亏电。

图1 柴油机进气预热格栅结构

火焰预热即通过电热塞将燃油点燃的方式来加热进气，图2 所示为某型号火焰预热装置结构图，其通过蓄电池供电加热电热塞，点燃燃油，从而加热进气歧管中的空气。火焰进气预热结构，燃油从燃油滤清器接口取用，方便快捷，燃油也可从燃油箱预留接口取用。火焰进气预热要求对供油进行精确控制，防止供给过多的燃油消耗过多的氧气以及产生过多的废气。火焰进气预热会对发动机的排放产生影响。

图2 某火焰进气预热装置结构

一般发动机厂家进气预热装置为选配，用户即整车厂需要根据车辆的使用环境进行选用或不选用进气预热装置。进气预热结构简单，易于安装。一般发动机在环境温度低于-12℃时则要求增加进气预热辅助启动装置，在环境温度低于-18℃时则增加其他辅助启动措施，例如燃油加热、电池加热等辅助启动装置，以保证发动机不至于在低温冷启动时间过长，过度磨损。

3.2 乙醚启动

乙醚启动原理是向进气管内喷入燃点低的启动液—乙醚，其加热原理如图3 所示，随发动机进气进入燃烧室，由于乙醚着火温度低（如在3.2MPa 的压力下，柴油的着火温度为177～207℃，乙醚的着火温度为57℃）从而保证柴油机在较低的温度下顺利启动。

图3 乙醚启动结构

乙醚启动注意事项：每次注入起动液量一般为10～25ml，不能过量；起动后不可立即起步，须经预热后再起步；不准加入油箱，不能与柴油混合使用，以免产生气阻；起动液不要存放过久，存放的容器要密封；起动液不要与其他油混放在一起，以免出差错；起动液不宜在50℃以上环境下保存，注意防火，并有专人保管；操作时不可粗心大意，以防意外起火。

一套乙醚启动成本通常在200～300 元左右，乙醚启动低温冷起动方法可适应最低环境温度为-40℃，但对柴油机损害大，起动液易着火且有爆炸危险，故尽量限制使用。

3.3 燃油加热器

燃油加热器其加热原理时使用独立的燃油加热器加热防冻液，在水泵作用下，加热而后的水在发动机水道中流动，加热发动机缸体和机油，降低发动机启动阻力，提高压缩终了压力，使发动机易于启动。其工作原理如图4 所示。燃油加热器从燃油箱取油，燃烧产生的热量加热从发动机抽取的水，加热后水经过暖风机、燃油箱循环又进入发动机，从而加热暖风机、燃油，预热发动机。

图4 某型号燃油加热器原理图

一套国产燃油加热器成本增加在2 000～3 000元左右，进口的则较贵，价格在9 000～10 000元左右，其优点是加热效果好，可适应-40℃环境，缺点是安装需要较大空间，成本较高。

4 发动机低温冷启动其他注意事项

工程机械用发动机在增加低温冷启动相关措施后，还应具备其他相关前提，例如：选用相应低温环境牌号机油、燃油，防冻液等；使用高性能蓄电池，必要时增加蓄电池保温装置，从而保证蓄电池电量和电压稳定，有效数据表明：温度每降低1℃，蓄电池容量约下降1%，-40℃时蓄电池容量相当于15℃时的32%左右，因此极寒工况下高性能的蓄电池是发动机顺利启动的先决条件之一；保证整车密封性能及可靠性，更换橡胶管、密封件等。