浅谈低温环境下柴油发动机起动性能特性

收稿日期：2023-12-05

【摘 要】文章以东康6CT 3阶段发动机（配装24V 7.5kW起动电机）为分析对象，对低温环境下的柴油发动机起动特性进行初步研究分析，便于后续在低温环境下正确选型蓄电池和计算起动电流提供参考。

【关键词】低温；啮合电压；峰值电压；起动电流

中图分类号：U463.61 文献标识码：A 文章编号：1003-8639（ 2024 ）07-0049-02

Discussion on Starting Performance Characteristics of Diesel Engine in Low Temperature Environment

LIU Chuang1，2，SUN Bin1，DONG Cuifen1

（1.School of Vehicle and Traffic Engineering，Zhengzhou University of Science and Technology，Zhengzhou 450064，China；2.Zhengzhou Key Laboratory of Special Vehicle Power and Control Technology，Zhengzhou 450064，China）

【Abstract】Taking Dongkang 6CT 3-stage engine（equipped with 24V 7.5kW starter motor） as the analysis object，this paper makes a preliminary research and analysis on the starting characteristics of diesel engine under low temperature environment，which is convenient for the correct selection of battery and calculation of starting current under low temperature environment.

【Key words】low temperature；meshing voltage；peak voltage；starting current

目前国内柴油发动机生产厂家在出厂时一般仅提供-25℃温度下起动特性曲线，同时蓄电池国家标准GB/T 5008.1—2013《起动用铅酸蓄电池第1部分：技术条件和试验方法》也是在-25℃进行容量、起动电流等参数试验，无论是发动机还是起动蓄电池在-30℃以下极寒温度条件的特性研究较少。本文选定以25℃、-30℃、-40℃环境下发动机起动特性曲线测试数据为依据，对比浅析在极寒温度条件下发动机起动特性，为低温环境下正确选型蓄电池和计算起动电流提供参考。

1 不同温度下起动特性曲线

1.1 常温下起动特性

在25℃环境下，蓄电池电压26V，起动电机从通电到完成起动持续工作1.4s，其中起动电机齿圈与发动机曲轴啮合时间0.03s，软起动电流260A，随后初始停转电流（第1个高波峰）1947A，此时停转时电压降至16.78V，发动机阻力矩电流（第2个高峰）1932A，第1高峰和第2高峰之间的时间0.01s，随后起动电流迅速减小，以平均电流292A完成起动操作。

25℃常温环境下起动特性曲线如图1所示。从图1起动特性曲线可以看出，起动机工作时，最大电流出现在起动电机啮合后带动齿圈从静止至转动的瞬间（0.01s），这个时间很短，但由于电流过大（接通瞬间，近似于短路），造成工作电压急剧降低至16.78V。随着第1个起动峰值过后，电流逐渐降低，系统电压逐渐升高，在0.5s之后电流基本趋于稳定。

1.2 -30℃低温环境下起动特性

在-30℃环境下，低温对发动机自身和蓄电池的放电能力均产生影响，按照发动机使用维护说明书要求，将发动机的机油和燃油更换为与工作环境温度相匹配油品标号，同时启用发动机进气加热系统。

从图2起动特性曲线可以看出：起动峰值电流1324A，电机拖动平均电流第1圈837A，第2圈534A，第3圈432A，第4圈378A。其中，瞬时最低电压15.83V，平均拖动电压第1圈19.2V，第2圈20.4V，第3圈20.93V，第4圈21.08V。与图1常温下起动曲线相比：①起动峰值电流变小，说明蓄电池在低温环境下，容量降低，瞬间放电电流同步减小；②起动时间接近，常温下起动用时1.3s，在-30℃环境下，起动用时1.4s；③剔除起动瞬间的2个峰值电流，后续工作电流与常温工作电流接近。

1.3 -40℃低温环境下起动特性

在-40℃低温环境下，发动机机油和燃油同样需要采用与环境温度相适应的标号油品，同时对发动机加装锅炉预热装置。

从图3起动特性曲线图中可以看出，发动机起动瞬时峰值电流1150A，平均拖动电流第1圈650A，第2圈500A，第3圈370A，第4圈340A，瞬时最低电压13.12V，平均拖动电压第1圈17.74V，第2圈18.79V，第3圈19.35V，第4圈19.43V。

与常温和-30℃低温环境起动曲线对比可以看出：①起动峰值电流变得更小，说明蓄电池在低温环境下，放电电流与温度成正比；②起动时间延长，常温下起动用时1.3s，在-30℃环境下，起动用时1.4s，而在-40℃起动用时2.6s；③工作电流在前5圈明显大于常温和-30℃电流，后续工作电流3种工况比较接近。

2 3种温度下起动特性分析

1）瞬时最大电流变化：3种温度环境下，起动电机通电工作时蓄电池瞬时最大电流随温度的降低而减小。本文所用的蓄电池瞬间峰值电流，在-40℃环境下仅有常温环境下的60%。

2）起动时间：在3种不同温度环境下，起动时间随温度降低而延长，-40℃起动时间与25℃常温相比，起动时间延长1倍。

3）工作电流：起动电机的工作电流是一种逐步减小的波浪形曲线，最大电流出现在起动开始转动的早期最大扭矩负载阶段，当发动机跟随起动机盘动起来后，起动电流迅速降低，3种温度工况下，起动后半程工作电流随温度降低略有增加。

4）啮合电压：尽管起动瞬间电流比较大，但持续时间很短属于毫秒级，在这段时间内，起动机能否正常工作起决定作用的是起动电机的啮合电压和保持电压。起动电机与发动机啮合的工作中存在啮合和保持2个工作段，啮合电压不能低于16V，啮合后保持电压不能低于12V。低温环境使蓄电池容量降低，放电电流减小，同时电池内阻同样发生变化，进而造成工作电压同步降低，当电压低于起动电机啮合或保持电压时，就会造成起动电机与发动机脱开，起动失败。

3 结论及应用

通过上述几个温度环境下的起动测试，经数据整理分析，初步可以得到以下结论。

1）随着温度的降低，蓄电池放电电流降低，在起动电机与发动机齿圈啮合瞬间的峰值电流受蓄电池放电能力影响有所下降；当起动机带动发动机经过第1圈盘动后，起动电流迅速降低，与常温电流曲线接近。

2）低温环境下，发动机能否成功起动的关键在于起动电机与发动机啮合的瞬间，放电电流达到峰值，系统电压降至最低，此时，啮合电压不能低于16V，随后在起动机连续工作过程中，保持电压不能低于12V，若出现低于此值的系统电压，起动电机就会断电脱开，造成起动失败。

3）发动机起动过程中起动电机工作电流是一条逐步减小的波浪线，采用GB/T 5008.1—2013《起动用铅酸蓄电池第1部分：技术条件和试验方法》归整为恒流放电模拟试验不太精确，尤其是起动初期的峰值电流和伴随的最低电压对发动机能否成功起动起决定性作用，因此在选型蓄电池时，要考虑相应低温环境下峰值电流和对应的最低电压同时满足起动电机需求。

通过上述得出的初步结论，在实际设计选型中，发动机满足低温环境下正常起动需求，需重点考虑：①发动机机油、柴油、防冻液等标号需满足相应低温环境要求，同时增加进气预热和锅炉加热等辅助起动装置；②在常温环境下采集发动机起动电流曲线，在此曲线上适当做出1.2～1.3倍的放大，以放大后的电流曲线选型满足此要求的低温电池；③蓄电池在目前GB/T 5008.1—2013《起动用铅酸蓄电池第1部分：技术条件和试验方法》恒流持续放电的基础上，增加低温环境下瞬间峰值电流和伴随最低电压的要求，在保证峰值电流出现时，对应的最低电压不能低于起动电机工作的啮合和保持电压。

（编辑 凌 波）