极寒环境下柴油机冷启动多方式预热耦合系统的实验研究

郭小敏， 刘 彬， 张世富， 姜俊泽， 陈德奇

(1.低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室， 重庆 400044； 2.重庆大学能源与动力工程学院, 重庆 400044；3.陆军勤务学院国家救灾应急装备工程技术研究中心，重庆 401331； 4.陆军勤务学院油料系， 重庆 401331)

柴油机低温启动辅助设施加装简单，且无需改变柴油机内部结构，具有很强的实用性。因此已成为柴油机冷启动领域的学术热点[1]。但当前研究大多是针对单一预热方式，而当温度降低到-20 ℃以下的极寒环境时，使用单一预热方式很难让柴油机快速启动，因此有必要对极寒环境下多种预热方式耦合的启动效果进行研究[2]。本文以增强一台小型中速涡轮增压柴油机在极寒环境下的启动能力为目标，设计了包括进气预热、冷却液预热以及蓄电池保温三个方面的耦合系统，并研究了三个子系统耦合对柴油机启动能力的影响，以及启动过程中蓄电池表面的温度变化规律。

1 冷启动实验测试系统

本文所研究柴油机的额定功率为56 kW，额定转速为1 500 r/min，压缩比为22，缸径和冲程分别为105 mm和125 mm，喷油方式为缸内直喷。

冷启动预热耦合系统的示意图如图1所示。首先通过选择合适厚度的聚氨酯保温材料制作仅应用于极寒环境的蓄电池保温箱，保证蓄电池在保温箱外部环境温度低于-20 ℃时仍然具备良好的放电能力。其次，因为进气温度是影响柴油机低温启动性能的关键因素[3]，而当柴油机处于-25 ℃以下的环境中时，普通的电热式预热器已经很难再适用，因此选用-41 ℃仍可正常工作的PTC预热器作为进气预热装置[4-5]。本次选用的PTC预热器的加热时间最长为5 min，并且有变功率自动恒温的作用，安装在柴油机进气管与进气歧管之间。最后，因低温下对发动机冷却液进行加热也可以有效改善柴油机的冷启动性能[6]，故选用-41 ℃仍可以正常启动和工作的燃油加热器(16.3 kW)对流经柴油机缸套的冷却液进行加热。

图1 冷启动耦合示意图

如图1所示，在本耦合系统中，蓄电池保温系统保障蓄电池在寒冷条件下有足够的放电能力，能为PTC预热器、燃油加热器和启动机提供电力支持，从而使柴油机顺利启动。

本次冷启动测试系统主要包括步入式20 m3高低温试验舱(测温范围为-60～100 ℃)、Pt100温度传感器(测温范围为-50～200 ℃)、数据采集系统以及发动机智慧显示屏等。

2 实验结果与分析

2.1 蓄电池保温实验

本实验使用铅酸蓄电池，根据其电池化学特性，可以通过研究低温下蓄电池表面温度的变化情况来体现蓄电池放电能力的变化情况[7-8]。将蓄电池从温度为18 ℃的舱外环境放入到厚度为60 mm的聚氨酯保温箱内，并使用聚氨酯泡沫填缝剂对蓄电池导线周边的缝隙等进行密封处理，分别在-25 ℃和-30 ℃的低温环境中静置8 h以上。

如图2所示，当低温舱内环境温度为-25 ℃时，8 h以内保温层内壁温度即蓄电池所处环境温度变化不超过8 ℃；蓄电池表面温度变化不超过5 ℃；此时，保温层内壁温度仍保持在10 ℃左右，蓄电池表面温度保持在15 ℃左右。蓄电池仍然工作在良好的温度条件下，其放电能力仍然能够达到常温下的80%[9]，能够满足实际工程中停机8 h的使用要求。

图2 -25 ℃下蓄电池保温箱内部温度变化曲线

同样，当低温舱环境温度为-30 ℃时，静置8 h后蓄电池保温层内壁温度变化不超过8 ℃，电池表面温度变化不超过5 ℃，蓄电池仍然具备良好的放电能力。

可以看到，聚氨酯泡沫材料在低温环境中具备良好的保温性能。当环境温度为-25～-30 ℃时，蓄电池在保温箱内的温度变化较小，其温度变化速率小于1 ℃/h。而且聚氨酯泡沫材料价格低廉易于获取，能够实现工程实用性和经济性的平衡。

2.2 冷启动性能实验

在-25 ℃的环境状态中，待冷却液温度降低到与环境温度一致时，通过在保温箱中的蓄电池为低温预热系统和启动机提供电力支持，研究4种操作条件下的柴油机冷启动情况。

在实验操作过程中，不加装任何低温预热系统时，柴油机完全无法启动。然后保持冷却液温度为-25 ℃，采用单一的PTC进气预热方式，将PTC进气预热器加热最长时间5 min后柴油机仍然无法启动。采用单一的冷却液燃油加热器预热系统，需要将冷却液加热到40 ℃后柴油机才能启动，加热耗时在20 min以上。

为了减少启动需要的时间，将PTC进气预热与燃油加热器冷却液预热二者耦合，如图3所示。图3中的纵坐标表示使用PTC进气预热器的加热时间，横坐标表示使用燃油加热器加热后的缸套内冷却液温度。其中点1表示当缸套内冷却液被燃油器加热至10 ℃，且同时用PTC进气预热4 min时柴油机成功启动；点2表示当缸套内冷却液温度被燃油器加热至20 ℃，且同时用PTC进气预热2 min时柴油机成功启动；其余耦合加热组合均未能成功启动。

图3 -25 ℃环境下燃油加热器加热后的柴油机冷启动情况

在预热过程中，1 min PTC和燃油器单独加热耗能分别为0.016 kW和0.27 kW，PTC耗能远小于燃油器。而1、2、3点使用燃油器加热冷却液到既定温度10 ℃、20 ℃、40 ℃所需时间分别为8 min、10 min、20 min，均大于PTC最大加热时间5 min。即在启动成功的1、2、3点中，1点所用的时间最短、总能耗也最小，所以1点为最优点。

同样，研究在-30 ℃的环境状态中的情况。前面几种情况与-25 ℃环境完全相同；而将两种预热方式耦合同时加热后，则只需要冷却液用燃油加热器加热8 min，PTC进气预热器加热5 min，就能成功启动。

采用PTC进气预热与燃油加热器预热耦合可以有效提升柴油机冷启动性能，本实验中通过比较燃油加热器加热冷却液到既定温度所需时间(下称t1)与PTC进气加热时间(下称t2)来建立冷启动控制策略。若t1>t2，则先对冷却液加热一段时长t3，待t1-t3=t2时启动PTC进气预热器进行耦合加热；若t1

3 结 论

当环境温度为 -25～-30 ℃ 时，实验所用的60 mm保温箱具有良好的保温效果； 燃油加热器相比PTC进气预热器在低温下具有更明显的作用；发挥两种预热方式的耦合作用相比单一预热方式能够明显优化柴油机的启动能力。