工程机械高原冷启动问题技术对策

侯杭州 耿庆州 许东京 黄利康

（江苏徐工工程机械研究院有限公司，徐州 221004）

良好的冷启动性能是工程机械正常作业的必要前提。由于高原地区空气密度小、天气寒冷以及昼夜温差大等特殊气候环境会导致工程机械发动机启动困难或不能启动，因此深入研究高原环境对发动机启动过程的影响机理，提出相关应对策略，对于提高工程机械环境适应性具有重要意义。

1 发动机启动过程及启动条件

柴油发动机启动时，必须靠外界能量转动曲轴，带动活塞不断往复运动，直到气缸内形成可燃混合气并着火燃烧，促使发动机自动进行工作循环而正常运转[1]。目前，常用的启动方式为电力启动。它以蓄电池为电源，供电给启动电机。电机输出轴上的齿轮与发动机飞轮周缘上的齿啮合，带动飞轮旋转，而飞轮带动曲轴旋转启动发动机。柴油发动机顺利启动的条件包括两个方面。一方面，蓄电池和启动电机必须驱动曲轴达到一定的启动转速，一般为100 ～200r/mim。另一方面，气缸内需形成可燃混合气，且在压缩终了时，可燃混合气温度需达到着火温度340 ～360℃[2]。

2 高原低温环境对柴油发动机启动过程的影响

2.1 启动阻力增大

启动时的阻力主要包括各部件运动时的摩擦力，使运动件由静止状态加速到某一转速时的惯性力，驱动机油泵、水泵、燃油油泵等附件所需要的力，以及压缩气缸内气体的力。这些阻力中摩擦阻力的影响最大，而摩擦阻力随润滑油的粘度增大而增大，因此温度低会增大启动阻力。环境温度直接影响发动机的启动性能。

2.2 蓄电池能力降低

随着环境温度的下降，蓄电池的内电阻增大，放电能力下降，有效点火次数减少。在低温大电流放电的情况下，容量及端电压急剧下降，输出功率随之下降，导致启动马达达不到所需要的输入功率，启动转速降低，启动性能下降。另外，温度过低，蓄电池充电困难，容易造成充电不足，导致蓄电池长期处于不饱和状态。

2.3 较难达到着火温度

高原空气稀薄，在低温条件下柴油雾化效果差，发动机缸体内散热快，气缸的密封性较差。在压缩终了时，可燃混合气压力低且温度达不到着火温度，导致发动机难于启动。

3 柴油发动机冷启动难的对策

通过以上分析，解决冷启动问题可通过减少启动阻力、提高蓄电池低温性能以及提高进气温度、发动机机体温度、润滑油温度及燃油温度等方案予以解决。

3.1 发动机预热

采用燃油加热器对发动机进行预热，工作原理如图1所示。燃油加热器通电后，电磁油泵将燃油输送到加热器中点火燃烧，加热冷却液。燃烧器中水泵带动冷却液在发动机机体内循环，加热发动机机体及机油。

图1 燃油加热器预热原理

加热后，发动机气缸、活塞、各轴承以及机油等温度升高，润滑条件改善，降低了启动阻力，有利于增加启动转速，同时有利于提高气缸的密封性，减少机体散热量，提高压缩终了时的温度与压力，使发动机易启动[3]。燃油加热器驱动功率小，加热效果好，能够满足发动机在-40℃环境下正常启动的要求[4]。低温环境下，利用燃油加热器进行发动机预热，是目前应用较为广泛的一种有效冷启动辅助方案，但存在安装空间需求大、成本较高等缺点。

3.2 进气预热

进气预热通过提高吸入空气的初始温度来提高发动机冷启动性能，是解决发动机冷启动的有效方法之一。目前，发动机多配制电加热进气预热装置供客户选择，原理是在进气管部位安装加热格栅，结构如图2 所示。加热格栅是串联的电阻，通电后格栅被加热，而发动机吸入的外界冷空气经过格栅时被加热[5]。电加热进气预热系统结构简单，应用广泛，工作过程中不消耗氧气，不增加排放，缺点是使用时需要消耗蓄电池电能。温度过低时，长时间使用造成蓄电池亏电不利于发动机启动。一般发动机在环境温度低于-12℃时要求增加进气预热辅助启动装置，而更低是我环境温度需要与其他冷启动措施组合使用。

图2 电加热进气预热系统主要组成

3.3 燃油系统预热及保温

燃油系统根据使用环境采用对应标号的柴油。为解决柴油发动机冷启动问题，可对燃油系统管路系统进行保温处理，常用的方法是使用保温材料包裹进回油箱的管路，同时可对燃油进行加热。一种是利用燃油加热器预热系统将冷却液加热后通过燃油箱对燃油进行循环加热。该方法利用加热后的冷却液对油箱中的燃油进行加热，加热效果显著，耗电量低，但结构复杂，容易出现冷却液泄露问题。另一种是电加热系统，包括电加热吸油杆、电加热油管以及带电加热油水分离器等。该系统消耗电量大，实际运用时可采用独立蓄电池进行供电。目前，使用较多的是使用带有电加热装置的油水分离器进行局部辅助预热[6]。

3.4 高性能蓄电池及蓄电池保温

低温环境下蓄电池容量比常温时的电容量低很多。经测算，环境温度每上升或下降1℃，蓄电池容量上升或下降0.8%。因此，为了适应极限温度-40℃时的低温启动，设计选型时建议将蓄电池容量比常温时放大30 ～50%，采用低温性能好、结构形式与普通启动型不同的卷绕式铅酸蓄电池。此类蓄电池低温时无液态酸冰冻现象，可以在-40℃环境条件下正常工作。

同时，蓄电池保温也是一种提升低温环境蓄电池性能的较好方法。蓄电池保温箱的基本原理是利用燃油加热器预热系统将加热的冷却液引出一支路进入加热管来加热蓄电池，并通过保温箱体的保温功能对加热的蓄电池进行保温，使蓄电池输出功率满足启动系统的需要[3]。

3.5 乙醚助燃启动

乙醚助燃启动是通过在空气中加入燃点更低的启动液降低混合气体着火温度来解决发动机冷启动问题的一种有效方法。使用时向进气管内喷入燃点低的乙醚，在乙醚空气混合气进入燃烧室被压缩后，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℃），乙醚先燃烧带动发动机启动[6]。需要注意，已经采用进气预热辅助启动装置的发动机禁止使用乙醚助燃启动，因为乙醚混合气体经过高温加热格栅或预热塞时容易发生爆炸。

4 结语

高原环境空气稀薄、温度低是影响发动机启动过程的主要因素。气温低导致蓄电池能力下降、启动阻力增加，发动机启动转速降低。启动转速低、空气稀薄以及气温低，使得混合气体压缩时间长，发动机机体散热增多，导致压缩终了混合气体压力和温度降低，达不到燃油的着火点，影响柴油机正常启动。目前，主要通过减少发动机启动阻力和提高蓄电池供电能力来解决冷启动问题，相关措施主要进气预热、发动机预热、燃油系统预热、耐低温型蓄电池及蓄电池保温等措施。这些措施各有优缺点，可根据具体使用环境、设备自身特点组合使用。高原低温环境应尽可能不采用电加热方案，减少蓄电池消耗。一般情况下，使用燃油加热器预热系统、耐低温型蓄电池及蓄电池保温箱，即可满足-35℃发动机正常启动要求。