關于寒冷天氣下柴油機啟動及應對的思考

楊燦

摘要：本文根據公司所在高緯度工作區域天氣寒冷的實際情況，針對柴油機在冬季冷啟動困難，長時間打火易造成起動機燒毀，蓄電池壽命縮短;急料運輸時因車輛啟動時間長耽誤時間;氣溫驟降造成柴油凝結無法流動等問題進行分析，探索研究應對極低溫度下冷啟動困難的措施。

Abstract： According to the cold weather in the high latitude working area of our company， it is difficult for the diesel engine to start in cold winter， and it is easy to burn the starter and shorten the service life of the battery if it is ignited for a long time. During the transportation of urgent materials， the time is delayed due to the long starting time of vehicles. This paper analyzes the problems of diesel oil condensation and flow caused by sudden drop of temperature， and explores the measures to deal with the difficulty of cold start at extremely low temperature.

關鍵詞：柴油;柴油機;低溫;冷啟動;霧化;預熱;經濟性

Key words： diesel oil;diesel engine;microtherm;cold-start;atomization;preheat;economy

中圖分類號：TK429? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）20-0132-02

0? 引言

中國石油集團川慶鉆探工程有限公司重慶運輸總公司某事業部主要工作區域涵蓋陜甘寧蒙，該區域10月開始進入冬季后，最低氣溫將降至-20℃以下，必須根據實時氣溫加注-10～-35號柴油，否則車輛會因為柴油在柴油機的燃油系內凝結無法流動，導致柴油機無法正常啟動，對車輛的正常運行和使用維護都造成了極大困難，也對公司的生產保障能力提出了挑戰。

1? 低溫下柴油機啟動困難的原因分析

①低溫下蓄電池性能線性降低。一般來說蓄電池的最佳工作溫度在10℃～40℃的范圍內，嚴寒天氣會導致蓄電池電解液的黏度增加，滲透能力下降，從而使內阻增大、容量和端電壓下降，使起動機驅動扭矩降低，達不到最低起動轉速，難以驅動柴油機著火運轉。

②低溫下柴油霧化質量變差。低溫天氣下，柴油的粘度和密度均增大，表面張力增加，根據相關數據測定，當環境溫度從40℃降低到-10℃時，柴油粘度會提高83%，密度增大8%，這種變化會導致噴油器噴出的柴油不易霧化，由于柴油液滴顆粒大，易與冷的氣缸壁、活塞頂接觸形成更大顆粒的柴油液滴，使混合氣濃度進一步降低，影響起動性能。

③低溫下曲軸旋轉阻力矩增大。隨著溫度降低，柴油機機油粘度增加，甚至凝結，流動性差，各摩擦副之間阻力加大，從而加大了曲軸的旋轉阻力矩，使柴油機起動轉速降低。

④柴油機氣缸壓縮終了時混合氣溫度達不到著火的最低溫度。試驗表明，當柴油機吸入的空氣溫度在-30℃以下時，壓縮終點溫度小于430℃，不能使噴入的柴油液滴著火燃燒。

2? 目前采用的改善措施及效果

根據以上造成低溫下柴油機啟動困難的原因，目前事業部已經采取了以下幾點措施來改善柴油機在低溫下的起動特性。

①采用低溫性能好的蓄電池。目前選用的萬里6-QW-165免維護蓄電池，可在-40℃環境條件下正常工作。另外也可以給采用給蓄電池加裝保溫措施來降低電解質黏度，增加蓄電池的蓄電量。

②根據氣溫選擇合適的柴油標號。不同標號的柴油理化指標不同，理論選用原則是柴油的凝點應該比環境溫度低5℃左右為宜，長慶運輸事業部一般規定在10月份氣溫降低時加注-10#柴油，根據氣溫下降幅度和時間逐步延伸到-20#和-35#柴油。

③選擇低溫性能可靠的潤滑油。目前事業部在用的機油是昆侖天威CH-4 15W/40四季通用機油，環境溫度范圍-15℃～30℃，經過這兩年的使用，基本能滿足要求，低溫下機油粘度增加不明顯。另外在進入冬季前提前對車輛的防凍液冰點進行檢測，冰點在-35℃以上的進行更換。

④安裝進氣預熱裝置。目前事業部除部分吊車外基本上所有車型都帶有進氣預熱裝置，主要是通過預熱裝置在發動機冷態啟動前對吸入的空氣進行加熱，提高柴油機的起動性，即使在起動后，依據當時的冷卻液溫度，對空氣繼續加熱一段時間，同時還可以減少柴油機爆震和冒白煙。

通過以上措施基本上能夠有效改善事業部在陜甘寧蒙地區車輛的低溫冷啟動性能，但是這必須建立在柴油標號選擇合適的前提條件下。通過近兩年來事業部運行區域中石油加油站負號柴油配送的情況來看，除烏審旗地區因資陽油庫在當地建立有加油站點可提前儲備以外，其他地區負號柴油上架銷售時間均滯后于氣溫下降的時間，部分地區，例如隴東中隊在2017年和2018年都遭遇了負號柴油的油荒，導致車輛正常運行受到一定的影響。

3? 提出問題

在低溫下如何提高柴油機氣缸壓縮終了時混合氣溫度和柴油霧化質量，使其能達到著火點并正常起動？

壓縮終了時混合氣的溫度由進氣溫度和進入氣缸的柴油液滴溫度決定，由于目前的車輛均能利用電加熱裝置預熱進入氣缸的空氣，那么如果能提高進入氣缸前柴油的溫度，不僅能提高混合氣溫度，還能改善柴油霧化質量。

4? 幾種提高柴油溫度的方式和優劣性對比

4.1 利用柴油機冷卻液預熱柴油

在一臺柴油車上安裝兩個柴油箱，一個油箱盛裝0#柴油，另外一個根據溫度盛裝負號柴油。低溫啟動時首先接通負號柴油的箱內的負號柴油來啟動柴油機。在車輛正常運行后通過柴油機的冷卻液循環給0#柴油箱加熱，達到一定的溫度后切換燃油供給系統開關，開啟0#柴油箱，使用0#柴油正常工作。

優點：改動量小，但需要在0#柴油箱內安裝盤管循環冷卻液來加熱柴油。

缺點：一是在車輛歸隊或者收車前，需要將燃油供給系切換到負號柴油箱并運轉一段時間，以便管路內充滿負號柴油，避免停車后管路內的0#柴油凝結造成堵塞，操作流程較繁瑣，駕駛員因疏忽忘記切換時可能導致車輛第二天無法起動。二是在遇到車輛突發故障被動長時間停車時可能堵塞管路。三是由于冷卻液工作溫度大約在85℃～95℃之間，車輛正常運行時冷卻液對0#柴油箱持續加熱，無法控制溫度，容易增加油耗且有安全隱患。

4.2 安裝專門的液體燃油加熱器

在車上安裝專門的液體燃油加熱器，使用12V～24V直流電源，由電動機、燃燒室、水套體、水泵等組成。電動機帶動油泵、助燃風扇及霧化器轉動，油泵吸入的燃油經輸油管送到霧化器，霧化后與助燃風扇吸入的空氣在主燃燒室內混合，被電熱塞點燃，在后燃燒室內充分燃燒后折返，經水套內壁的散熱片將熱量傳給水套夾層中的冷卻液介質，被加熱介質在水泵的作用下，在整個管路系統中循環，達到加熱的目的。

優點：一是可以與發動機及強制散熱器等輔助散熱裝置組成循環系統，也可以單獨與散熱器、除霜器等組成循環系統。二是可以通過冷卻液同時加熱柴油箱和發動機達到工作溫度，且溫度可控。三是允許車輛油箱加注低于當前環境溫度推薦標號的柴油。

缺點：一是對車輛的管路改動較大。二是該加熱器需要獨立的且加注符合環境溫度推薦標號的柴油。三是預熱時間需要10～15分鐘。

4.3 直接電熱塞或加熱管加熱

使用車輛自帶的蓄電池供電，在特制的油管內穿一根發熱絲給柴油機進油管加熱，配合使用棒式的加熱器插進油箱內加熱燃油，使燃油保持一定的溫度。

優點：僅需要更換燃油供給系的部分管路，不改變原車結構，不破壞油箱整體封閉性。

缺點：一是發熱絲與柴油直接接觸，可能存在很大的風險，易導致油管老化，使用壽命短，耗電量大。二是隨著柴油的消耗，油箱內的油液面不斷下降，暴露的部分變大，無用功耗電散熱加大，而浸泡在燃油液面下的部分加熱變慢，燃油溫度不穩定，進而使發動機工作不穩定，耗能多，而且燃油加熱溫度不可調控，易使燃油變異，對發動機有損，更不能進行恒溫安全控制而造成耗油量增加。三是由于柴油濾芯無法通過該種方式加熱必須拆除，可能因為柴油內的顆粒物造成噴油器堵塞等問題。

5? 經濟性預測

公司某事業部從10月中旬起，所作業區域逐步進入降溫期，開始加注負號柴油，一般從11月上旬起開始加-35#柴油。-35#柴油與0#柴油的升價差約為1.2元，以25噸運輸車為例，百公里空車油耗32升，重車百公里油耗39升，里程利用率取58%，若能夠通過技術措施使車輛在冬季使用0#柴油也能正常運行，即每百公里燃料費可降低43.27元，專用車由于百公里油耗更高，費用降低將更加可觀。即使不能完全用0#柴油來徹底取代-35#柴油，能夠將當前環境溫度推薦標號的柴油降低一個檔次也將帶來不小的技術創效。

6? 實際試驗結果

公司某事業部選擇在2臺相同車型的25噸四軸運輸車上進行試驗，其中一臺安裝了某品牌智能控制燃油加熱器。在10月20日至12月10日進行了為期51天的試驗，在此期間，安裝了某品牌智能控制燃油加熱器的1號車出勤43天，累計運行里程5345.26公里，實際消耗0#柴油1927.5升，未安裝液體燃油加熱器的2號車出勤38天，累計運行里程4213.85公里，累計消耗-35#柴油1643.4升。

考慮到以上2臺試驗車運行區域基本一致，投產時間相同，再剔除駕駛員操作習慣、裝載貨物等客觀因素的影響，1號車平均每公里消耗0#柴油0.36升，2號車平均每公里消耗-35#柴油0.39升。

按照試驗期間當地油價計算，2號車相對于1號車，每公里燃料成本增加約0.6元，即若能在確保安全的前提下，規范使用液體燃油加熱器，節約燃料成本應該10%～15%，經濟效益顯著，但仍應該考慮該種形式的液體燃油加熱器的安全性和可靠性。

7? 結論及建議

當前，地方上的車輛通過各種手段來改善柴油機低溫下冷啟動性能，嘗試使用0#或者低標號柴油替代高標號柴油的情況在陜甘寧蒙等高緯度地區已經非常普遍，因此，加強公司在這方面的研究，不管是從車輛的運行維護，還是從節能降耗、提高經濟效益來說，我覺得很有必要。建議在充分調研，保證安全的前提下，利用較成熟的技術進行可靠性驗證和效果評價試驗。

參考文獻：

[1]魏象儀.內燃機燃燒學[M].大連理工大學出版社，1992.

[2]莫瑋，鄂加強，趙延明.嚴寒條件下車輛柴油機冷啟動性能研究[J].內燃機過程，2002（5）：65-67.

[3]陳熙.冬季0號柴油替代-35號柴油的技術探討[J].新疆石油科技，2012，22（1）：45-46.