矿山机械发动机冷启动性能及技术改造分析

宋小驹，李 俚

（1.广西柯瑞机械设备有限公司，南宁 530000；2.广西大学，南宁 530004）

0 前言

二十一世纪以来，随着社会的飞速发展，空气中污染物的排放加剧，随着空气污染的加剧，国家对发动机的管理越来越严格。发动机作为主要的排污设备已然成为社会关注的焦点。而发动机的冷启动问题是造成污染排放的重要原因之一[1]，且发动机的冷启动困难不仅会早造成环境污染，而且会影响工作进行，严重时会造成设备的损坏。以矿山机械发动机为例，一方面矿山机械发动机工作环境多为露天寒冷的北方，发动机经常发生冷启动问题，发动机冷启动阶段，由于温度过低，发动机启动时燃油雾化不好，燃烧不充分。另一方面，燃油催化剂需要在380℃左右内才能达到最大的转换效率。在低温环境下，催化转化器的温度过低，催化转化器不会发挥其作用，造成污染物的大量排放（主要包括CO 和HC）。以HC 为例，HC 的主要排放集中在冷启动的1～2 min内。除此之外，冷启动困难甚至会造成无法启动的问题，发动机积碳等给设备造成不可逆的损害。影响正常的工期，甚至造成设备损坏增大设备的维修成本。因此，解决发动机冷启动问题具有重大意义[2]，努力改进发电机冷启动问题，让发电机能够适应寒冷条件。

1 冬季冷启动困难的原因分析

冷启动困难的原因有多种。主要愿意是由于设备温度较低，燃油粘度过低造成喷油器无法正常工作，喷出的油过浓，无法正常进行反应及做工。冷却液不能正产工作，传感器失灵。冷启动困难还会造成进气管积碳，而进气管积碳又反过来影响发动机的启动，产生恶性循环，损坏设备。

除此之外，由于天气过冷或空气中的扬尘粉煤灰，会影响辅助设备的正常工作。首先影响车载系统的消耗。车载系统消耗过大，会降低蓄电池对其他部件的供电电压。其次在较低的温度环境下，蓄点出的可逆比容量大大降低，车载辅助系统耗电量巨大，在待机状态下，车载辅助系统的耗电量占总耗电量的50%以上。特别是在严寒的冬季欠压的情况时经常发生。在工作过程中，工程机械的作业时间在3 h 左右，一天的大部分时间都处于停机状态，且有缺少停机状态的设备维护。易出现欠饱和状态，发动机在长时间未启动，温度下降，导致启动困难。最后，可能的原因是由于蓄电池本征的缺陷，蓄电池可逆比容量降低，寒冷的北方，冬季大部分温度在-20 ℃左右，电池比容量严重下降，导致机械设备启动困难[3]。

矿山机械在启动时依靠蓄电池供电，在启动过程中存在较大的能量损耗，容易让蓄电池出现欠饱和状态，导致启动时因电力不足而无法正常启动；而且在寒冷条件下，蓄电池的容量比常温下的容量更低，一般情况下，当温度下降5 ℃，电池的容量下降5%，特别当温度低于-10 ℃时，容量下降高于5%，使蓄电池的容量下降，导致在启动过程中，因为电压不足或者电量不足，使矿山机械无法正常启动，影响矿山开采的正常工作[4-6]。

2 预防冷启动困难的方法

2.1 外置预热

工作间隙对工程机械进行预设保温是防止发动机冷启动的有效方法。由于预热一台发动机需要1个多小时的时间，所以对设备的预热需要借助外部设备。除此之外可对设备进行改造，增加预热回收装置，将工作时候的废热进行回收，储存。将余热管道与发动机连接，保持发动机时刻处于0 ℃以上。除此之外，还可以对必要的设备进行保温处理，主要管道包裹保温棉。一般情况下，每隔10 min 必须要启动发动机来给蓄电池充电，保证机械发电机处于预热状态，这种方法能够从根本上解决冷启动困难，从而保证矿山机械的正常工作，让矿山开采更有序的进行。

2.2 定时启动充电

机械装置在待机时，可要求师傅进行定时启动充电，频率保持在10 min/次。以避免设备负荷太大造成的蓄电池欠压的问题。除此之外，如有必要可以更换低温性能更好的锂离子电池。矿山机械真正工作的时间一般在2～3 h，其余时间都处于待机状态，但在待机状态中，辅助系统仍然正常工作，而且蓄电池为辅助系统进行供电，消耗了大量的能量。因此，必须要进行定时启动发动机，从而能够为启动充电，防止出现冷启动困难或者无法启动的现象，保证了矿山机械在寒冷环境下的正常工作。

2.3 安装前置催化剂

发动机冷起动时，由于温度较低，催化转换器不能正常的工作，且缸内混合气较浓，易造成严重的尾气排放问题。尽快提高催化转换器的温度是减少冷起动后排放污染的一条有效途径。可将催化转换器与排气歧管连接在一起，利用排气歧管的预热、废热迅速提高催化转换器的温度，设备启动后，在数十秒后就可以达到运行温度。但也要注意，由于催化剂靠近排气歧管，设备会产生排期阻力等问题，需要认真考虑[7]。适当地采用新型的催化剂来推动发动机启动，让催化剂能够有效的推动发动机冷启动，保证矿山机械发电机能够正常启动，保证矿山机械能够正常工作。

3 常规冷启动方法带来的影响

3.1 直接隐患

冬季发动机喷油雾化效果差，冷启动困难造成频繁的设备启动，会导致发动机内部工作部件积炭增多。发动机气缸设备精密，积碳过多会严重影响气缸的使用寿命，造成维修成本升高，并且在发动机运行过程中，更容易发生早燃和爆燃现象，导致发动机机的功率下降，有实验研究证明发动机功率损失10%左右，问题严重时，可能导致活塞烧蚀。在设备正常运作时，若发生以上现象，不仅发动机会存在报废的危险，而且影响工作的进行。爆燃会增加曲轴及活塞连杆组的机械负荷，增加发动机部件之间的磨损；发动机如果长时间处于爆燃状态会使活塞环断裂，引起拉缸故障；爆燃产生冲击波破坏缸壁表面的油膜，恶化活塞与气缸摩擦副的润滑[8]；冲击波会增强气缸壁面的传热，使发动机过热，导致发动机部件损耗加剧。载长期处于爆燃工作状态，发动机的功率大大下降，热效率大大降低，增加不必要的油耗损失，活塞脱顶现象会经常发生，降低发动金的使用寿命，可靠性大大降低，长此以往会对发动机产生不可逆的损伤，发动机报废会时长发生。

3.2 潜在隐患

司机工作量大大增加，长时间频繁的启动，会使操作人员更加疲惫。在工作工程中，司机师傅需要时刻关注运行时间。工作更加复杂，司机误操作的隐患大大增加。有必要时可能需要增加操作人手，但是工作人员的增多又会大大提高运行成本，不是长久之策[9]。对发电机的监管体系不完整，发电机要定时的进行启动，有可能因为相应的监管体系不完善而导致发电机没有定时启动。

4 改进方法分析

目前，铅酸蓄电池作为主要的供电装置已广泛应用在矿山机械设备中，然而随着国家对电池等新能源技术的发展，市场上已经涌现出各种各样的储能装置，有燃料电池、钠离子电池、锂离子电池、超级电容等。新能源技术的发展使得电池的性能越来越高。以锂离子电池为例，锂离子电池具有能量密度高、低温性能好、工作电压高、循环性能好等优点，完全可以替代传统的铅酸电池。该电池其有充放电线路简单，彻底免维护，检测方便等突出优点。鉴于锂离子电池的优点及国家大大力支持，锂离子电池得到巨大的普及，价格逐年降低，为解决发动机冷启动问题提供了新思路，目前预设2 种改进方案：

（1）将原有的蓄电池与锂离子电池并联，为发动机系统供电。这样就可以结合蓄电池和锂离子电池的优点，既不会造成原有供电设备的浪费，又能充分发挥锂离子电池的优势，优势互补。

（2）锂离子电池组在发动机冷启动时，需要向设备组提供电能，需要承担起车载电气配套系统的常规运行电量供应。

（3）在矿山辅助工程车辆发动机运转时，为超级锂电池组和蓄电池充电过程中，保证锂电池模组保持均压，充电平衡问题等充电策略问题[10]。减少辅助工程车辆发电机的耗能，在矿山机械待机工程中，要减少辅助工程车辆发电机的能量损耗，防止在发电机启动过程中出现欠压现象，保证发电机能够正常工作。

（4）必须要完善发电机监管体系，保证发电机能够定时的启动和充电。采用新型的检测设备来对发电机进行实时监测，保证发电机能够正常启动，这样既节约了人力资源，又能够保证发电机正常启动，保证矿山机械的正常工作。

5 改造的意义及前景分析

5.1 改造的意义

（1）锂离子电池组作为发动机冷启动时电源，能弥补因低温情况下，电池容量的下降，避免产生冷启动困难；能够保证在寒冷条件下，矿山机械的的正常启动和正常工作，从而能够保证工作效率，防止出现安全事故。

（2）避免因频繁低温状态下启动带来的蓄电池电能流失及蓄电池老化加速等问题，能够保持电池组的使用寿命，降低维修成本；提高了矿山机械的寿命，保证了矿山机械的使用安全，能够节约机械启动的电能，防止因难以启动带来的机械内部磨损，从而能够让机械更好的工作，提高了矿山机械的性能。

（3）避免因冷启动困难的频繁启动带来的积炭增多，降低发动机部件的磨损程度，是提高使用寿命，降低发动机故障率的必要措施；能够减少应启动困难带来的积碳等物质，能够降低积碳等物质带来的磨损，提高了矿山机械的寿命。

（4）保证矿工机械的正常使用，减小故障频率，提高连续生产天数，将提高企业盈利。

发动机总成预计百万以上，百万以上的发动机的维修费用预计在数十万左右。发动机启动回路通过利用锂电池组改造后，大大提高大修周期，约100天以上。减少因驱动电源的故障带来的大修频率。根据目前机械设备的运行情况，改造之后的矿工机械预计每年减少至少1 次的法修问题，预计带来的直接经济效益可减少70 万元左右。

（5）通过技术改造间接的降低了耗油量，减少了废气的排放，达到节能减排的作用，。对环境保护起到很重要的作用。机械冷启动减少比传统的矿山机械需要的能量少，减少了使用和启动成本，而且该技术废气的排放量较少，能够减少机械给环境带来的污染。

（6）此外经过技术改造后，可以大大降低司机频繁的启动发动机及充放电，操作更加简单，降低操作频率，减少因为操作失误而带来的隐形的问题，大大提高了实际师傅的工作效率。该技术在启动过程中噪音比传统的矿山机械更小，能够进行无声启动，而且启动和使用的方法比较简单，方便使用人员更好的操作，从而能够降低操作失误，提高工作效率和安全。

5.2 改造的前景

通过调查研究发现，中国的北方大部分地区都存在发动机冷启动困难的问题。这个矿山生产带来很大的困难。目前发动机冷启动问题已成为矿产生产亟待解决的问题。节能减排，降低成本，是工业生产追求永恒不变的话题，直接关系了我国高质量发展的发展战略。

运用锂离子电池解决冷启动问题，提高生产效率和产能。从上述情况可以看出发动机锂离子电池冷启动技术，对我国寒冷的北方矿业生产的必要性和重要性。建议加大该方向的研发和技术改造工作。

6 结束语

综上所述，矿山机械发电机的冷启动具有重要作用，能够保证寒冷条件下的性能和工作效率。因此，必须要对矿山机械发电机冷启动技术和性能进行改造，保证机械能够在寒冷环境下的工作效率，保证矿山开采的安全和进度。也要打破传统冷启动技术，采用新型的技术来完善冷启动，从而使机械能够更好的适应寒冷环境，提高了工作效率。