柴油發(fā)動(dòng)機(jī)高原地區(qū)冷啟動(dòng)方案研究

摘要：工程機(jī)械產(chǎn)品在高原高海拔地區(qū)使用，面臨每天初次啟動(dòng)困難的問(wèn)題。針對(duì)于此，介紹幾種輔助啟動(dòng)方式，其中既有傳統(tǒng)預(yù)熱輔助啟動(dòng)，也有新型液壓驅(qū)動(dòng)輔助啟動(dòng)。這幾種方式在實(shí)際使用效果、可靠性、操作難度和經(jīng)濟(jì)成本方面，都有差別。主機(jī)廠和設(shè)備所有者可根據(jù)實(shí)際情況，采用更合適的高原高海拔輔助啟動(dòng)方式。

關(guān)鍵詞：柴油發(fā)動(dòng)機(jī);高原冷啟動(dòng);預(yù)熱;離合器分動(dòng)箱;冷啟動(dòng)閥

0" "引言

隨著祖國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展，全國(guó)各地的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入越來(lái)越大，加之民生改善需求和國(guó)防建設(shè)的需要，地理位置特殊的西藏地區(qū)基建工程日趨增多。西部高原高海拔地區(qū)平均海拔高度在4000m以上，工程機(jī)械在此地區(qū)施工必然要面臨缺氧和低溫等工況。

工程機(jī)械大多配備柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，常在野外施工作業(yè)且很多時(shí)候需要連續(xù)施工。此時(shí)將面臨一個(gè)尷尬的問(wèn)題就是每天早上的啟動(dòng)問(wèn)題。在高原高海拔地區(qū)，空氣缺氧，加之高海拔地區(qū)晝夜溫差大，每天清晨溫度偏低。由于燃料黏度增加而不利于燃油的霧化與燃燒，潤(rùn)滑油流動(dòng)性變差，使各運(yùn)動(dòng)零部件阻力增大，再加上蓄電池工作性能降低等因素的影響，極易導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)困難、機(jī)件磨損加劇、功率降低、燃料消耗增加和動(dòng)力性能下降等問(wèn)題。

雖然發(fā)動(dòng)機(jī)廠家，通過(guò)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)電腦啟動(dòng)過(guò)程噴油比例參數(shù)，將噴油量?jī)?yōu)化，起到了一定輔助作用，但由于柴油機(jī)系統(tǒng)還掛裝了液壓或其他機(jī)械系統(tǒng)，導(dǎo)致這種輔助作用十分有限，柴油機(jī)啟動(dòng)依然存在很大困難。

1" "傳統(tǒng)輔助預(yù)熱法

傳統(tǒng)輔助預(yù)熱法是指發(fā)動(dòng)機(jī)自帶預(yù)熱功能，一般是給進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)熱。高原高海拔地區(qū)缺氧，加之溫度較低，光單靠這種單一方式，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)肯定無(wú)法正常啟動(dòng)。

此時(shí)需要將發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油和冷卻液進(jìn)行加熱，通過(guò)外置揮發(fā)霧化燃油液體加熱器，采用燃燒換熱方式加熱，將發(fā)動(dòng)機(jī)中的機(jī)油和防凍液分別通過(guò)加熱器中的循環(huán)泵，從柴油發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)抽出先行加熱。加熱到一定溫度后，再對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)，甚至有的設(shè)備將液壓油也進(jìn)行加熱。

該方法有效，但加熱器都是電源驅(qū)動(dòng)，大都使用柴油機(jī)自帶蓄電池電源，功率受到限制，且由于低溫造成蓄電池本身蓄電能力受損下降，因此不能長(zhǎng)時(shí)間使用。該方法整個(gè)加熱過(guò)程需要30～40min，能將柴油發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體溫度加熱到40～50℃左右，不僅增加了每天設(shè)備啟動(dòng)的工作量，也給設(shè)備操作人員增加了勞動(dòng)強(qiáng)度。發(fā)動(dòng)機(jī)低溫預(yù)熱原理如圖1所示。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液加熱系統(tǒng)實(shí)物安裝如圖2所示。

2" "減小液壓系統(tǒng)負(fù)載輔助啟動(dòng)法

2.1" "方法概述

對(duì)于全液壓驅(qū)動(dòng)的工程機(jī)械設(shè)備，發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)分動(dòng)箱將動(dòng)力傳遞到多個(gè)動(dòng)力輸出口，每個(gè)動(dòng)力輸出口安裝2～3臺(tái)液壓油泵，液壓泵數(shù)量多，液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，從而造成低溫環(huán)境液壓系統(tǒng)啟動(dòng)負(fù)載偏大。

工程機(jī)械柴油發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中的外部負(fù)載阻力，基本來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)分動(dòng)箱連接的液壓系統(tǒng)工作泵。由于液壓系統(tǒng)中采用閉式回路較多，閉式回路中閉式泵一般都集成補(bǔ)油泵。補(bǔ)油泵為定量泵，工作狀態(tài)下補(bǔ)油泵出口的液壓油一部分進(jìn)入式系統(tǒng)，作為系統(tǒng)泄露的補(bǔ)充。另一部分液壓油通過(guò)補(bǔ)油泵出口的溢流閥，進(jìn)入主泵殼體回到油箱，溢流閥的壓力一般設(shè)定在1.8～3MPa左右。

工程機(jī)械在寒冷環(huán)境下發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)功率增大，啟動(dòng)困難，其中液壓系統(tǒng)中增加的啟動(dòng)負(fù)載功率，主要來(lái)源于閉式系統(tǒng)中補(bǔ)油泵的溢流損失。本文提出一種在低溫環(huán)境下柴油發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，降低工程機(jī)械液壓系統(tǒng)啟動(dòng)負(fù)載功率的技術(shù)。

2.2" "液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

工程機(jī)械液壓系統(tǒng)中，各閉式回路中補(bǔ)油泵的出口旁通一個(gè)單向閥，各單向閥出口連接在匯流閥塊上，匯流閥塊集成有一個(gè)常閉二通電磁換向閥，電磁二通閥的出口接回油箱。在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，電磁閥得電，閉式系統(tǒng)中的補(bǔ)油泵出口的液壓油，通過(guò)旁通單向閥進(jìn)入?yún)R流塊，并通過(guò)電磁二通閥后進(jìn)入液壓油箱，由此降低了液壓?jiǎn)?dòng)負(fù)載。匯流閥塊原理如圖3所示。

上述液壓冷啟動(dòng)閥方案在柴油機(jī)啟動(dòng)時(shí)，可以大幅降低啟動(dòng)裝置的負(fù)載。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)成本較低。缺點(diǎn)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，并且沒有相關(guān)自檢測(cè)功能。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)排除起來(lái)比較麻煩，操作不當(dāng)容易造成工程機(jī)械設(shè)備其他功能異常。

3" "帶離合器分動(dòng)箱輔助啟動(dòng)法

3.1" "方法概述

相對(duì)上述液壓冷啟動(dòng)閥方案，分動(dòng)箱帶離合器方案成本有所增加，但能將柴油發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中的負(fù)載阻力全部排除，高海拔低溫啟動(dòng)性能更佳。

該方案是在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，通過(guò)離合器齒輪脫扣動(dòng)作，將柴油發(fā)動(dòng)機(jī)與后面聯(lián)結(jié)的液壓系統(tǒng)全部脫開。這樣就只剩下柴油發(fā)動(dòng)機(jī)本身的啟動(dòng)，啟動(dòng)負(fù)載小了很多，只需根據(jù)實(shí)際情況，調(diào)整好發(fā)動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)各階段的柴油噴油比例。再同時(shí)開啟發(fā)動(dòng)機(jī)自帶進(jìn)氣預(yù)熱功能，即可在高原高海拔且低溫環(huán)境中實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)快速啟動(dòng)。

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)取力口安裝的液壓泵提供壓力油，再結(jié)合液壓離合器分動(dòng)箱，大幅縮短了啟動(dòng)時(shí)間，使工程機(jī)械設(shè)備很快達(dá)到正常工作狀態(tài)。

3.2" "定制分動(dòng)箱

本方案中用到的分動(dòng)箱為定制款，其結(jié)構(gòu)必須足夠可靠，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的每次啟動(dòng)和停機(jī)都要求實(shí)現(xiàn)至少一輪分動(dòng)箱齒輪的接合與脫開過(guò)程。由電控系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制離合器電磁閥，實(shí)現(xiàn)其結(jié)合與脫開的控制，要求控制精確，安全系數(shù)高，搭配相關(guān)傳感器進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)監(jiān)測(cè)。該方案配有應(yīng)急操作系統(tǒng)，可在電控系統(tǒng)出故障時(shí)，確保發(fā)動(dòng)機(jī)的正常接合與脫開。離合器分動(dòng)箱結(jié)構(gòu)如圖4所示。離合器控制邏輯如圖5所示。

本方案優(yōu)點(diǎn)是在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，完全脫開分動(dòng)箱驅(qū)動(dòng)齒輪和后端液壓泵負(fù)載，極大降低了發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)所需時(shí)間，電氣一鍵控制，操作更簡(jiǎn)單便捷。電路設(shè)有保護(hù)功能，發(fā)生異常自動(dòng)斷開離合器，使用更安全。其不足之處在于經(jīng)濟(jì)成本相對(duì)上述兩種方案高一些。

4" "液壓系統(tǒng)輔助啟動(dòng)法

4.1" "方法概述

上述第二種和第三種方案均是從較少或除去液壓負(fù)載的情況，考慮柴油發(fā)動(dòng)機(jī)高海拔低溫啟動(dòng)，本方案是通過(guò)將液壓?jiǎn)?dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)換為啟動(dòng)輔助動(dòng)力源與發(fā)動(dòng)機(jī)自帶啟動(dòng)機(jī)同時(shí)工作，實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)作為液壓系統(tǒng)動(dòng)力元件，帶動(dòng)液壓泵旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)從液壓油箱吸油，向系統(tǒng)提供所需高壓油液。該方案中的液壓泵為特殊型號(hào)定制泵，在特定工況下可切換為馬達(dá)功能。在正常海拔時(shí)，可實(shí)現(xiàn)液壓泵單獨(dú)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，在一定程度上起到節(jié)能環(huán)保和保護(hù)啟動(dòng)機(jī)的效果。

4.2" "系統(tǒng)方案分析

圖6為液壓系統(tǒng)輔助啟動(dòng)法原理框圖。其中排量控制閥用于推動(dòng)液壓泵內(nèi)斜盤擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)液壓泵和液壓馬達(dá)功能之間的切換。截止閥用于控制液壓泵和其他液壓工作回路之間的通斷。蓄能器閥用于控制蓄能器和系統(tǒng)之間的油路通斷。手動(dòng)球閥1用于手動(dòng)控制蓄能器和系統(tǒng)之間的油路通斷。蓄能器作為儲(chǔ)能元件，必要時(shí)可作為高壓油源。手動(dòng)球閥2用于釋放蓄能器中的高壓油液。手動(dòng)泵作為應(yīng)急油源，可向蓄能器中充油。

該系統(tǒng)具有輔助柴油發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和停止功能。啟動(dòng)時(shí)，蓄能器內(nèi)已充滿高壓油液（前一次啟動(dòng)時(shí)已完成充注）。首先排量控制閥得電，在蓄能器高壓油作用下，液壓泵由泵工況切換為馬達(dá)工況。其次截止閥得電，切斷至工作裝置之間的系統(tǒng)油路。最后蓄能器閥得電，蓄能器中的高壓油液僅能進(jìn)入液壓馬達(dá)（由液壓泵切換至此工況），在高壓油液作用下，液壓馬達(dá)帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。

當(dāng)?shù)竭_(dá)一定轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入自啟動(dòng)，排量控制閥失電，變量活塞在彈簧力作用下復(fù)位。液壓泵上的擺角傳感器檢測(cè)到斜盤到達(dá)零位后（此時(shí)由馬達(dá)工況切換為泵工況），蓄能器閥失電，停止向系統(tǒng)內(nèi)供應(yīng)高壓油液。發(fā)動(dòng)機(jī)完成啟動(dòng)，到達(dá)額定轉(zhuǎn)速后，液壓泵輸出的油液因不能進(jìn)入系統(tǒng)，壓力逐漸升高，首先補(bǔ)充蓄能器所需油液。當(dāng)?shù)竭_(dá)蓄能器的設(shè)定壓力后，截止閥得電，油液進(jìn)入系統(tǒng)執(zhí)行其他正常動(dòng)作。

該方案優(yōu)點(diǎn)是與正常啟動(dòng)操控?zé)o差異，并可根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行最佳啟動(dòng)模式選擇，既實(shí)現(xiàn)了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)高海拔低溫快速啟動(dòng)功能，又能達(dá)到綠色環(huán)保的效果，還在一定程度上減少了柴油機(jī)啟動(dòng)機(jī)的損耗。其缺點(diǎn)是前期配裝成本較高，需要相對(duì)復(fù)雜的邏輯控制才能實(shí)現(xiàn)其功能。

5" "結(jié)語(yǔ)

工程機(jī)械產(chǎn)品在高原高海拔地區(qū)使用，面臨每天初次啟動(dòng)困難的問(wèn)題。針對(duì)于此，本文介紹幾種輔助啟動(dòng)方案。上述四種方案在實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)高海拔低溫冷啟動(dòng)功能的同時(shí)，各自存在優(yōu)缺利弊，不同應(yīng)用場(chǎng)景、不同工程機(jī)械設(shè)備可根據(jù)實(shí)際情況，選用不同輔助啟動(dòng)方式。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，基礎(chǔ)工業(yè)水平的不斷增強(qiáng)，未來(lái)將會(huì)有更多可靠和性價(jià)比高的的輔助啟動(dòng)方式出現(xiàn)。