淺析柴油車發動機低溫起動困難原因及其改善措施

吳放明，鄭艷剛，孫 燦，邵 波，石明輝

（北京汽車研究總院有限公司電子電器與空調部，北京 101300）

淺析柴油車發動機低溫起動困難原因及其改善措施

吳放明，鄭艷剛，孫 燦，邵 波，石明輝

（北京汽車研究總院有限公司電子電器與空調部，北京 101300）

為了改善某款軍用越野車在-30～-41℃低溫環境下的冷起動性能，通過多輪整車低溫冷起動試驗，并采集起動機的起動電流、發動機起動轉速、冷卻液溫度等參數，對試驗數據進行分析，確定發動機在低溫時起動困難的原因。通過優化發動機ECU低溫標定數據，選取低溫性能更好的蓄電池，降低起動回路壓降等措施，改善了該軍用越野車的低溫起動性能。

蓄電池；低溫；冷起動

中國地域遼闊，多地冬季平均溫度都在-10 ℃以下，其中平均溫度在-25 ℃以下的地區占到全國總面積的25%，內蒙古、新疆、西藏等西北地區最冷月份平均溫度在-25～-41 ℃之間。因此，車輛在低溫環境下的起動尤為重要，特別是柴油車型，低溫下的起動比汽油車要困難。

柴油車的冷起動性能是柴油車的重要性能指標之一，它不僅關系到發動機的工作效率，而且會影響到它的使用壽命；如果在低溫下不能起動，會給用戶帶來許多不便及抱怨［1］。一般民用汽車在環境溫度低于-20 ℃的情況時，車輛可置于暖庫內，或者采用外接電源的方式來跨接起動車輛；但作為軍車必須具有良好的機動性、可靠性和環境適用性。因此，軍車要求具有在-30～-41 ℃極端低溫環境依靠自身配置的冷卻液加熱裝置和蓄電池來起動車輛發動機的能力。本文對某款軍用越野車在低溫環境下起動困難的原因進行分析，通過試驗驗證找到改善其冷起動性能的措施。

1 故障描述及初步分析

2014 年冬季，某款軍用越野車在漠河進行寒區適用性試驗，其中包括整車低溫冷起動試驗。在-30～-41 ℃的環境溫度下，整車靜置12 h后進行多次冷起動試驗，其中在環境溫度低于-37 ℃的情況下，發動機都無法正常起動。

在冷起動失敗的整個起動過程中，能聽到起動機處有“嗒嗒嗒”的聲音，起動機拖動無力、拖動轉速低，而且在起動過程中組合儀表出現黑屏、燈光變暗的現象，停止點火后組合儀表和燈光又恢復正常。之后更換常溫（未冷凍）蓄電池進行起動，發動機能正常起動。表1為試驗過程中測得的試驗數據。從數據中可以看出，隨著環境溫度的降低，在起動過程中，蓄電池的端電壓會逐步降低；而在起動試驗的過程中出現的組合儀表黑屏、燈光暗淡等現象，也反映出蓄電池的電壓已經低于車上用電設備的正常工作電壓。

根據發動機廠家提供的資料，該柴油發動機起動時要求不低于120 r/min，低于此值，發動機將很難起動。從試驗數據分析表明，第1、2、3次試驗，在起動過程中發動機的最低拖動轉速均大于120 r/min，則發動機起動成功；在第4～7次試驗，發動機最低拖動轉速最大只有80 r/min，不滿足發動機廠商要求的最低起動轉速，最終導致發動機無法起動。

在起動過程中，蓄電池主要影響起動機的起動力

表1 2014年整車低溫冷起動試驗測試數據

1）采用冷卻液加熱裝置對發動機冷卻液進行加熱15 min；2）發動機最低拖動轉速是指在發動機剛開始被起動機拖動時發動機曲軸的最低轉速。矩和拖動轉速，蓄電池端電壓越高，起動機電樞的電壓越高，拖動轉速也越高；蓄電池輸出電流越大，拖動轉矩越大，起動機更容易拖動發動機轉動。但隨著溫度的降低，鉛酸蓄電池的電解液粘度增大，滲透能力下降，內阻增加，促使蓄電池容量與端電壓下降。由于蓄電池容量在低溫條件下明顯降低，使起動機輸出功率下降，產生的起動力矩下降，因此發動機的拖動轉速下降，當拖動轉速低于120 r/min時，發動機將很難起動。

經過上述分析，初步判斷發動機起動失敗的主要原因是：整車所選用的蓄電池低溫性能較差，在環境溫度低于-35 ℃后，其蓄電池容量明顯降低，內阻增大，端電壓下降，無法使起動機正常工作。

2 試驗方法

考慮到在寒區試驗過程中，整車是在室外靜置12 h后再開始進行試驗，環境溫度是測量試驗開始前的溫度；因為室外溫度不是一直保持不變，白天溫度比夜晚要高，從表1可以看出試驗前發動機冷卻液、機油和蓄電池電解液的溫度均比環境溫度要高。發動機冷卻液過低時，氣缸、燃燒室等機件散熱快，氣缸內的溫度不易達到柴油的自燃點；機油溫度偏低時，機油粘度增加，增大了發動機的轉動阻力；蓄電池電解液溫度過低，蓄電池內阻增大，蓄電池容量明顯下降，放電性能較差。因此，從整車設計角度來看，應該考慮整車可能會遇到的最惡劣的情況，考慮發動機冷卻液、機油和蓄電池電解液的溫度均與環境溫度達到平衡后的情況下，發動機是否能順利起動。

為了進一步驗證分析，在2015年初安排了數次整車冷起動試驗，試驗在低溫環境艙內進行。試驗共分5個溫度點進行，分別為0 ℃、-15 ℃、-30 ℃、-35 ℃、-41 ℃，試驗過程中均采用型號為CH-4 0W40的低溫機油，采用耐-50 ℃低溫的發動機冷卻液和柴油。在整個試驗過程中監測發動機冷卻液、燃油、機油和蓄電池電解液的溫度；在發動機起動過程中采集蓄電池端電壓、起動電流、發動機轉速、起動時間等參數，見表2。

表2 2015年整車低溫冷起動試驗數據

1）0 ℃、-15 ℃、-30 ℃試驗法 將試驗車輛靜置在相應溫度的環境艙內24 h，待發動機冷卻液、燃油、機油、蓄電池電解液的溫度與環境溫度一致后，將點火開關擰至IG擋，待發動機進氣預熱指示燈熄滅后，完全踩下離合踏板，將點火開關擰至起動擋進行起動。

2）-35 ℃、-41 ℃試驗法 將試驗車輛靜置在相應溫度的環境艙內24 h，待發動機冷卻液、燃油、機油、蓄電池電解液的溫度與環境溫度一致后，按下發動機預熱按鍵開啟冷卻液加熱裝置，對發動機冷卻液進行加熱，加熱25 min后，將點火開關擰至點火擋，待發動機進氣預熱指示燈熄滅后，完全踩下離合踏板，將點火開關擰至起動擋進行起動。

3 驗證分析

3.1 蓄電池放電能力分析

從表2試驗數據可以看出，隨著溫度的降低，蓄電池的端電壓越低。在-41 ℃下蓄電池的最低端電壓僅為4 V左右，已經遠低于EMS、組合儀表等電器設備的最低工作電壓（6 V）。

3.2 發動機軟件標定分析

通過對-30 ℃的低溫冷起動試驗數據進行分析，在整個起動過程中共進行3次點火，第1、2次起動過程中起動機的拖動轉速比較平穩，經過一段時間后發動機出現斷續著火聲，發動機也開始工作，但松開鑰匙后，發動機立即熄火。第3次起動雖然成功，但整個起動過程持續40多s，已經超出標準GB/T 12535—2007《汽車起動性能試驗方法》［2］中規定的低溫起動拖動時間不超過30 s的要求，因此，最終判斷起動不成功。

圖1為第3次起動過程中蓄電池電壓和發動機轉速的曲線圖。在整個起動過程中蓄電池的平均電壓達到9.9 V，且在起動過程中起動機拖動有力，因此，蓄電池的電量滿足要求。從圖1中可以看出，在起動第5 s的時候，發動機轉速就達到363 r/min，已經遠高于發動機起動的最低轉速120 r/min，發動機也有明顯的著火跡象，但發動機一直未能順利起動，當松開點火鑰匙后發動機轉速明顯下降，且有熄火的可能，需要繼續將鑰匙打到起動擋讓起動機繼續保持工作，發動機轉速回升，同時需要輕踩油門，經過一段時間后發動機轉速平穩可以自行運轉。由此可見需調整起動過程中的發動機噴油量，予以適當加大，點火提前角需適當增大。

圖1 第3次-30℃低溫冷起動試驗記錄曲線

3.3 冷卻液加熱裝置效果驗證

該軍用越野車裝配了冷卻液加熱裝置，該裝置由蓄電池供電，使用柴油作為燃料，可在-41 ℃正常工作。油泵從油箱吸入燃油，在加熱器燃燒室中揮發成燃油蒸氣后，與助燃交換器將熱量傳導給循環液體，使其在整個發動機冷卻系統強制循環，適當提高發動機機體及機油溫度，減小起動阻力，提高燃油霧化效果，從而達到改善低溫起動性能的目的［3］。在-35 ℃的冷起動試驗中，由于采用了冷卻液加熱裝置對發動機冷卻液進行加熱，發動機機體和機油溫度得到適當提高，減小了起動阻力，起動機在起動時所需的起動電流較-30 ℃時要小很多，所以發動機起動比在-30 ℃（不采用冷卻液加熱裝置）時要順利得多。

由此可見，冷卻液加熱裝置對改善發動機的起動有很大的作用。在環境溫度-41 ℃的情況下，采用冷卻液加熱裝置對發動機冷卻液進行加熱時，發動機冷卻液的溫度曲線圖如圖2所示。在加熱15 min后，冷卻液加熱裝置進水溫度值為32.7 ℃，出水溫度為39.6 ℃；而在加熱25 min后進水溫度達到61.10 ℃，出水溫度達到67.30 ℃。

圖2 發動機冷卻液的溫度曲線圖

通過上述試驗分析，基本可以確定影響發動機起動的因素。

1）隨著溫度的降低，蓄電池電解液粘度增大，向極板的滲透能力下降，內阻增加，蓄電池的放電能力越差；起動過程中起動機的電壓低于6 V后發動機將很難起動。

2）該軍用越野車所配置的柴油發動機未針對-30 ℃及以下溫度做過低溫標定，需要進行標定優化。

3）通過冷卻液加熱裝置對發動機冷卻液進行加熱，加熱時間只有15 min，時間太短，導致發動機冷卻液的溫度偏低，不足以使發動機缸體得到充分的預熱。

4 解決措施

4.1 選用低溫蓄電池

從起動效果上講，蓄電池容量越大，整車起動能力越強，但大容量蓄電池帶來成本高、質量大、空間布置困難的壓力［4］。該軍用越野車現有的蓄電池為100 Ah的普通免維護鉛酸蓄電池，其尺寸為352 mm×175 mm×190 mm。由于受整車布置空間限制，蓄電池的尺寸不能比該蓄電池大。根據GB/T 5008.2—2013《起動用鉛酸蓄電池 第2部分：產品品種規格和端子尺寸、標記》［5］中表6、7規定，蓄電池容量越大，其尺寸越大。因此，通過選用大容量蓄電池的方案行不通，只能在現有蓄電池的基礎上進行改進，或選用與現有蓄電池尺寸相近的低溫蓄電池。

通過調查其它軍車的蓄電池，發現某款軍用裝甲車所采用的型號為6-QW-80的蓄電池，其低溫性能較好，滿足該軍用裝甲車在-41 ℃環境溫度下的低溫起動要求。該蓄電池的尺寸為302 mm×172 mm×220 mm，其尺寸比現有100 Ah的蓄電池尺寸小，滿足該款軍用越野車整車布置要求。

該蓄電池是專門給某軍用裝甲車開發的一款低溫蓄電池，其特點是使用薄極板來降低蓄電池的內阻。與其它公司同規格蓄電池相比，蓄電池正負極板的厚度要薄很多（表3），這樣，在同樣大小的蓄電池殼中的極板片數增加，與電解液的接觸面積增大，使蓄電池電荷量增加，降低了內阻，提高了蓄電池的輸出功率。

表3 6-QW-80低溫蓄電池與其它公司同規格產品對比

另一方面，引起蓄電池在低溫下工作能力顯著降低的主要原因是極板過早鈍化。在低溫大電流放電時，正負極板上發生的反應生成Pb2+離子，Pb2+離子與硫酸反應，生成大體積的PbSO4覆蓋于海綿狀鉛的表面，過早出現鈍化之狀，使得硫酸不能順利擴散到多孔電極的深處，電極內部殘留較多的未反應物質；同時，放電反應產物PbSO4使蓄電池的內阻隨放電而增大。

為避免負極板放電時出現連續的PbSO4鈍化層，調整負極板鉛膏中膨脹劑的配比。膨脹劑是按一定比例的木素磺酸鈉、BaSO4、碳黑的混合物，這些物質吸附在鉛表面，在蓄電池放電期間，遏制PbSO4鈍化層的沉積，輔助生成多孔的硫酸鉛層，改善了負極活性物質沿厚度方向的均勻程度，推遲了鉛電極的鈍化，有利于鉛電極的深度放電。

通過對寒區和環境艙的冷起動試驗數據分析，如要保證起動過程中發動機的最低拖動轉速達到120 r/min，則蓄電池在起動過程中的最低端電壓必須在7.0 V以上，起動過程中的平均電流大約在500 A左右。另外，發動機起動時間通常小于10 s，但有些失調的發動機起動時間可能需要30 s。因此，新開發的蓄電池必須達到：蓄電池在-41 ℃的低溫環境下冷凍24 h后取出，在5 min內以510 A電流放電30 s后，蓄電池的端電壓不低于7.2 V。

對改進后的蓄電池進行-41 ℃低溫放電試驗（圖3），放電電流為510 A，放電30 s后蓄電池的端電壓為7.409 V，蓄電池性能達到預期要求。

圖3 改進后蓄電池-41 ℃低溫放電曲線

4.2 發動機軟件標定優化

通過環境艙試驗，采集起動過程中發動機的噴油量、軌壓、起動轉速等參數，由發動機廠繼續優化如下低溫冷起動時的參數：①起動過程噴油量；②起動過程中主噴油量和軌壓及點火提前角；③起動過程的預噴油量、軌壓、點火提前角；④預熱控制。

圖4表明：發動機軟件標定重新優化后，4 s后發動機就已經起動。由此可見，通過優化發動機低溫下的參數，有利于發動機低溫冷起動性能。

圖4 發動機標定優化后的-30℃低溫冷起動試驗記錄曲線

4.3 冷卻液加熱裝置工作時間優化

通過試驗驗證，適當延長冷卻液加熱裝置工作時間能有效改善發動機起動性能，將冷卻液加熱裝置的工作時間由原來的15 min延長到25 min。從圖2可以看出工作到25 min后冷卻液加熱裝置的出水溫度達到67.30 ℃，達到冷卻液加熱裝置設定的預熱平衡溫度，較15 min時的溫度提高了近28 ℃，效果比較明顯。

4.4 減小起動回路電阻

通過上述試驗驗證，起動機在低溫冷起動時起動電流很大，-41 ℃時平均起動電流在500 A左右。由于起動回路中線束存在一定的線阻，從蓄電池到起動機之間的線路存在的壓降較大，因此適當減短導線長度或增大導線的線徑都可以降低線路的壓降。該軍用越野車的蓄電池和起動機位置已經確定，導線的長度無法減短，導線的線徑可由原來的20 mm2更改到30 mm2，起動回路的線阻可降低0.0011 Ω，壓降可減少0.55 V。

4.5 增加蓄電池保溫裝置

由于鉛酸蓄電池受溫度的影響比較大，溫度越低，蓄電池的容量和放電性能越差，因此，可以考慮給蓄電池增加保溫裝置，在低溫環境下可延緩蓄電池電解液溫度下降的速度。

蓄電池的保溫罩主要采用密胺泡沫塑料（三聚氰胺）的材料，該材料具有良好的隔熱、保溫效果。將包裹保溫罩的蓄電池和未包裹保溫罩的蓄電池同時放在低溫箱內（溫度設為-41℃）冷凍24 h，并實時采集蓄電池電解液的溫度。如圖5所示。

圖5 蓄電池溫度對比

冷凍12 h，包裹保溫罩的蓄電池溫度為-28.4 ℃，未包裹的蓄電池溫度為-38.8 ℃；冷凍24 h，包裹保溫罩的蓄電池溫度為-36.9 ℃，未包裹的蓄電池溫度為-40.9 ℃。由此可見，通過增加蓄電池保溫罩可以有效延緩蓄電池電解液溫度的降低。

5 總結

后續對該軍用越野車進行了多次-30 ℃和-41 ℃溫度下的整車低溫冷起動試驗，發動機均能順利起動。經過上述分析及驗證表明：①選用低溫蓄電池對冷起動有效；②延長冷卻液加熱裝置的工作時間，有效提升發動機冷卻液溫度，可有效改善發動機起動條件；③發動機低溫起動標定數據對冷起動影響很大；④適當增大起動回路線徑，降低起動回路阻抗，可有效改善起動條件；⑤給蓄電池增加保溫裝置，可有效延緩蓄電池內部電解液溫度的降低，提高蓄電池在低溫環境下的性能。

［1］ 孫文政，宋偉，呂傳志. 柴油車冷起動性能的研究［J］.輕型汽車技術，2016（6）：10-12.

［2］ GB/T 12535—2007，汽車起動性能試驗方法［S］.

［3］ 張榮華，韓大偉，趙潔，等. 重型汽車低溫起動措施研究及應用［J］. 汽車電器，2014（9）：56-60.

［4］ 柯河清，李曉蓮，魯寶全，等. 商用柴油車冷起動系統研究［J］. 汽車電器，2015（7）：12-14.

［5］ GB/T 5008.2—2013，起動用鉛酸蓄電池 第2部分：產品品種規格和端子尺寸、標記［S］.

（編輯 楊 景）

Reason Analysis and Improvement Methods of Low Temperature Start Issue on Diesel Engine

WU Fang-ming， ZHENG Yan-gang， SUN Can， SHAO Bo， SHI Ming-hui
（Electronic Electric & Air Condition Department， Beijing Automotive Technology Center， Beijing 101300， China）

To improve cold start performance of a military off-road vehicle in the low temperature environment of -30 ℃～-41℃，through multiple low temperature start test and collection of the starting current， engine speed， coolant temperature and other parameters， the test data is analyzedto determine reasons for difficult starting at a low temperature. Through optimizing the low temperature calibration data of engine ECU， choosing battery with better low-temperature performance， and reducing the voltage drop of starting circuit， the low temperature starting performance of the military off-road vehicle is improved.

battery； low-temperature； cold start

U463.6

A

1003-8639（2017）04-0024-05

2016-11-17

吳放明（1979-），男，江西萍鄉人，工程師，主要從事汽車電器設計工作。