淺析發動機低溫啟動困難原因及改善措施

0 引言

一般而言，汽油機和柴油機動力轉換模式基本相同，都是經過吸氣、壓縮、做功、排氣實現發動機動力輸出。柴油機相對于汽油機具有熱效率高、油耗低和排放性能好等優點，并且具有較高的可靠性、經濟性以及升功率較大等特點，被廣泛的運用于工程機械、自行火炮、裝甲車、軍用車輛、軍用電站等裝備。裝備在冬季，特別是在嚴寒條件下啟動特別困難，發動機低溫啟動是一個比較突出的難題。根據新疆省《2019年統計年鑒》中的數據來源，得到新疆省主要城市冬季平均氣溫如表1，根據表1可以知道新疆地區冬季氣溫基本都低于零下10°C，且多個市區在1月份平均氣溫來到零下20°C。由于柴油機在零下20-30°C這種寒冷的環境中，會造成進氣溫度低，熱量散失快和漏氣量大等問題，導致氣缸內的溫度和壓力達不到要求，使缸內燃料的熱力狀態極不穩定，極易發生失火現象。同時柴油機在這種環境下還會發生蓄電池的端電壓降低，容量減少，加之機油黏度大，阻力增大等因素發生，從而導致低溫啟動困難

。因此研究發動機低溫啟動具有十分重要的現實意義。目前，針對發動機低溫燃燒技術的研發非常之多，《中國知網》關于發動機低溫啟動可視化數據分析（見圖1）總體呈上升趨勢，國內學者對這一研究課題越來越重視。國際能源協會（International Energy Assoc.）已經成立專門的工作組，進行低溫燃燒技術方面的研發。桑迪亞國家實驗室（SandiaNational Laboratories）的Magnus Sj?berg指出，許多燃料并不具備足夠的能量，能讓系統在低溫環境下“跑起來”。2017年，中國昆山舉辦了與低溫環境下發動機啟動困難相關的國際學術會議，來自美國阿崗國家實驗室的Stephen Ciatti說未來10年內采用低溫燃燒技術的發動機的比例為10%。由此可知，當前低溫啟動發動機仍然存在一些問題亟需解決。近年來一些企業在研究低溫燃燒發動機也有了一些成果，沃爾沃卡車（Volvo Global Truck）推出來了一項針對低溫燃燒發動機燃料選擇的研究，指出最適合低溫燃燒發動機的是生物柴油、甲烷和乙醇。德爾福汽車系統（Delphi Automotive Systems）的Mark Sellnau指出，低溫燃燒發動機可以提高效率并減少排放，同時他表示火花點火型低溫燃燒發動機的收益可能只在10%以下。因此，發動機如何在低溫啟動仍然是一個重點議題，也是相關學者廣受關注的問題。為探討發動機低溫啟動困難的原因，本文分析了發動機低溫啟動遇到的問題，并提出相對應的建議和解決措施。

1 發動機低溫啟動困難的原因

1.1 機油方面

在溫度較低情形下，機油黏度會上升，會造成機油流動性變差，阻力增加，導致發動機的啟動轉速變慢，發動機自然啟動性能就差。并且，在零下20-30°C這種環境下，不僅會使機油黏度增大，還會加重對柴油機器件的磨損。主要原因是寒冷的環境下，機油黏度的上升導致柴油機的部件表面沒有形成保護的油膜，長期處于干摩擦或半干摩擦情形下，柴油機器件的磨損自然加快了進程，根據研究發現，寒冷環境中啟動柴油機的磨損約占柴油機總使用磨損量的50-75%。

酸奶壓縮試驗可用于對酸奶的質構進行量化分析，試驗主要選擇黃精酸奶的稠度和硬度進行分析，根據閆序東等人[10]的方法稍作修改。采用A/BE型反擠壓圓盤探頭活塞壓縮容器中樣品達到一定高度后再回到初始位置。測試參數設置：A/BE型圓盤探頭，盤徑35 mm，測試前速度1.0 mm/s，測試速率1.0 mm/s，測試后速率10.0 mm/s，測試距離30 mm，觸變力10 g。

1.2 電池方面

在零下20-30°C的冬天駕駛大型工程機械的時候應該可以感受到電瓶耗電量的情況，冬天耗電量要更快一些，主要原因是由于熱脹冷縮的因素使鉛蓄電池的容量與溫度成正比，也就是說溫度降低電瓶的容量也會降低，如果在發動機大電流發電的情況下,溫度只要每下降1°C，就會導致蓄電池的容量降低1.5%左右，也就解釋了為什么電瓶電力很快就用完了。與此同時，溫度過低時，一方面，電池材料活性會下降，并且電池的放電功率也會下降，如果溫度低于一定程度，會造成電池釋放的電流達不到啟動機用電量，進而影響啟動機性能，使起動機啟動柴油機時的力矩減小，最終造成啟動困難。另一方面，蓄電池電解液粘度、電解液滲透能力、內阻力等因素也會因此發生變化，這也是影響柴油機啟動困難的原因之一。因此，為了避免發生以上情況，需要提前添加電解密度，防止發動機啟動困難。另外，發動機正常啟動時，需要比較大的啟動功率來確保發動機正常啟動，而在低溫條件下蓄電池容量與端電壓會急劇減小，達不到啟動發動機的正常功率，自然也就沒法保證起重機正常的運轉，所以也會導致發動機無法順利啟動。

1.3 柴油機積碳和排氣管凍結

積碳是指汽缸內未充分燃燒的燃油經過揮發后，產生的膠狀物質等固體會沉積在缸壁和氣門，經過一段時間的積累和沉淀，最終在柴油機器件上面形成了積碳。積碳嚴重時，不但使柴油機功率降低，油耗增加，還能夠降低電控柴油機氧傳感器的靈敏度，使氧傳感器輸出信號不準，進而導致ECU（電子控制單元）不能準確地修正空燃比，使柴油機燃燒進一步惡化，尾氣排放嚴重超標，導致發動機啟動困難。在零下20-30°C的環境下，柴油霧化效果本來就比較差，如果噴油嘴再堵塞，導致柴油機霧化不良，就會影響發動機啟動性能。此外，排氣管結冰凍結也會影響到發動機的啟動。排氣管凍結主要是因為溫度過低時，發動機燃燒后產生的水汽在排氣管的某個部位凍結而造成的發動機啟動困難。

1.4 燃油霧化不良

根據《農機指南》發布的“啟動機故障高發，2018故障占比超過14%”中數據顯示，起動電機故障占到了柴油總故障比例的約14.4%，可知柴油機啟動機的保養也很重要。在零下20-30°C環境的環境下，由于柴油機壓縮比大，機油黏度上升，潤滑系上機油慢，造成起動機動力不足，起動轉速變慢，燃燒室壓縮空氣達不到柴油燃燒的溫度，使柴油機啟動困難。因此，在寒冷的環境下，對起動機進行及時的保養和維護是極其重要的。常用的做法是：①經常使蓄電池保持充足電的狀態，不能用放電過多的蓄電池啟動發動機。②導線接頭應安裝牢固，蓄電池極柱應保持清潔，盡量減小接觸電阻，還要經常檢查開關接觸情況。③安裝好防塵罩，防止塵土大量浸入電機內部，臟污換向器及其他零件。④注意潤滑，檢查電刷磨損情況及電刷彈簧壓力。⑤當連續幾次不能起動發動機時，應檢查起動機電磁開關、蓄電池和連接線等，排除故障后再起動。⑥增加發電機充電電壓、保持起動機電刷、換向器等部件接觸良好，性能可靠，都能夠提高發動機的啟動效能。

2 發動機低溫啟動改善措施

2.1 選擇符合環境溫度的燃油

在低溫情況下啟動發動機時，可以先加熱冷卻水，比如可以添加溫水或者說利用蒸汽、電加熱器等裝置，將冷卻水提高到20°C以上再啟動是比較好的。①蒸氣預熱法。蒸氣預熱法是讓蒸氣通過管道從水箱的下水管進入冷卻系，或直接進入發動機冷卻水套加熱機體。②電預熱法。電預熱法是將電加熱器直接插入冷卻系或油底殼機油內，加熱潤滑油，以便于啟動。③添加溫水法。添加的溫水應該為40-60℃左右的溫水，不能使用開水，因為開水的溫度過高，容易對散熱芯管、氣缸蓋等造成重要的影響，使其發生脹裂的現象。當使用溫水對冷卻系統進行緩慢預熱，不僅可以延長發動機使用壽命，提升發動機啟動效率、汽缸壓縮壓力以及溫度，還可以避免在溫度過低時發動機耗油大、柴油機器件磨損嚴重和啟動困難的問題出現。

2.2 選擇低溫性能良好的機油

機油在低溫環境中也會變得黏稠、產生渾濁甚至凝固。但是，與柴油凝固方式有所不同，機油的凝固要經歷幾個層次，它并不像柴油一下子就形成的，它先凝聚出絮狀沉淀,接著變成豆腐腦狀，最后才變成凝固點。因此，柴油、機油的選擇是很重要的，因為不同型號、標號的柴油、機油對應著不同的溫度。

2.3 對電瓶做好保溫措施

法律法規的保障以及政策的支持是治理電子商務問題的根本保障，法律法規的制定從制度上鼓勵公眾和企業積極參與到社會治理的過程中，在內容上要體現出我國目前電子商務協同治理的重要性，同時要明確參與各主體的職責，避免出現由于信息不對稱產生的信任危機，最大程度地避免電子商務中出現的負外部性問題。其次，政府要考慮到不同地區消費能力和發展不均衡的現實情況，綜合內外部因素因地制宜地提供合作服務和公共服務，以實現效益最大化[9]。此外，要加大力度完善現行的《電子商務法》，尤其是對于“雙11”期間的各類應急系統，逐步健全各區域協同治理的法律法規體系。

2.4 加強起動機的保養

在零下20-30°C環境中，燃油也容易產生蒸發性和霧化性，這也是造成發動機啟動困難的原因之一。在低溫情況下，燃油的密度與粘度與以前相比有大幅上升，這在一定程度上降低其流動性，霧化和蒸發的作用無法充分發揮出來，導致大量的燃油還是處于液態儲存在氣缸中，這不僅對混合器的形成產生重要的影響，而且還導致混合氣比較稀。此外，在低溫的條件下，柴油中的蠟質容易出現離析的現象，從而導致管路和燃油濾清器的堵塞，造成發動機啟動困難。除此之外，由于新疆寒冷的環境，柴油在氣缸內通常處于不充分燃燒，造成啟動時氣缸溫度、壓力等都達不到燃燒要求，壓縮柴油和空氣的混合物無法使其溫度達到柴油燃點而自燃，從而導致發動機啟動困難。

應當保持發動機的清潔性、干燥性，起動機換向器與電刷之間的良好接觸。在低溫情況下，對于柴油的選擇，需要選擇凝點低、流動性好、質量高的柴油。對于機油的選擇，應盡量選擇黏度稀一點的機油。在冬季低溫情況下，需要注意以下幾點來維護發動機。①低溫狀態下，對空氣濾芯以及柴油濾芯的要求非常高，需要勤換空氣濾芯，降低對發動機的磨損，延遲柴油發電機使用壽命。②在低溫環境中，當發電機運行過后，盡量不露天擺放或者溫度過低的地方，否則當溫度小于4度時，冷卻水會發生狀態上的變化，由液體變成固體，體積也會迅速膨脹，進而對冷卻水箱散熱器造成破壞。③可以添加一些外接設備對發動機進行保養，比如：發動機面上覆蓋保溫套、下曲軸箱鋪上玻璃纖維等方法對發動機作保溫措施。④對發動機進行預熱處理。在低溫情況下，啟動發動機時氣缸內吸入空氣溫度較低，活塞進行壓縮后不僅不能達到柴油自燃的溫度還能加劇發動機的磨損。⑤增加一些電輔助加熱裝置，比如說：火焰噴射式預熱器或者說電熱絲式預熱器等裝置，對電瓶進行保溫。因此，低溫環境下需要先對發動機進行預熱，然后在啟動發動機，待發動機溫度正常后，準備才能正常運行。這樣不僅可以提高柴油機啟動性能延長柴油機使用壽命，還能減少發動機各部件磨損，提高裝備使用效率。

在低溫狀態下，電瓶的容量會下降，并且像柴油發動機的啟動對轉速要求比較高，如果電瓶電量下降，勢必造成啟動轉速達不到啟動的要求。因此，就需要對電瓶做些保溫措施了。保溫措施如下：①停車時將裝備停到相對比較溫暖的地方，如暖氣車庫等，可以延遲電池使用壽命。②如果裝備長時間不使用，最好把電瓶卸下來，放在室內溫暖的地方。③經常檢查電解液密度。在低溫環境中，最好的做法就是，調高電解液密度，防止因為低溫造成凍裂蓄電池外殼等問題的發生。④可以給蓄電池外面加一層防護，也就是對蓄電池進行保溫的。

2.5 向冷卻系統加熱

在低溫情況下，柴油可能會產生結晶，主要原因是其含蠟，含蠟量與結晶難易程度成反比，含蠟量與凝固點高低呈正比。油品的凝固點是指油品失去流動性的最低溫度，為了方便記憶，柴油的牌號就是利用油品的凝固點命名的。這也就是為什么在低溫環境下會堵塞柴油管路的情況發生，在這種情況下柴油機就很難啟動，所以要選擇合適的柴油牌號。

2.6 加強對發動機的保養

屈服極限與貯藏時間的關系，如圖5所示。屈服極限隨貯藏時間的延長，呈逐漸下降的趨勢，下降幅度相對平緩，表明圣女果發生永久變形所需的力在逐漸減小。

2.7 添加輔助燃料

啟動發動機時在發動機進氣管添加輔助燃料，能夠在一定程度上改善發動機低溫啟動困難的手段之一。一般情況下，往進氣管添加的輔助材料以二乙醚為主。根據實踐證明，當二乙醚的吸入量占總燃料的48%左右時，發動性的啟動性能是最好的。主要原因是因為輔助材料在火焰前反應中產生的物質，可以幫助燃料的燃燒，因此，添加輔助燃料，就可以達到縮短時間、提高啟動性能的目的。

我在攻讀博士學位的緊張學習期間，場場不落地參加討論班，個人想實現的目標是什么？首先是從哲學上研究系統思維。我雖然是從1983年就開始寫作博士論文，但從一開始我就非常重視錢老關于系統科學的思想。眾所周知，錢學森先生是一位偉大的科學家，但接觸過他的人都會驚訝地發現他也是一位偉大的思想家。他在《哲學研究》雜志上發表過文章，還與我當時所在的哲學研究所（我是在職攻讀博士學位）的多位科研人員有學術交往。例如，當時哲學所自然科學技術哲學研究室（當時叫“自然辯證法研究室”）有位童天湘同志，發表了一篇文章，錢老看了就親自寫信與他討論。這種事經常發生，錢老雖然是位大人物，但我們對他并不覺得陌生。

2.8 發動機預熱

低溫環境下，當啟動柴油發動機時，通常要對發動機進行預熱，使發動機盡快達到合適的啟動條件，順利啟動。發動機預熱處理的方法有加熱柴油發動機進氣、加熱油底殼和加熱水套等方法。加熱柴油發動機進氣通常操作是將一個電熱塞安裝在柴油機進氣管入口處，電熱塞上安裝有柴油進油接頭，當接通電源后，電熱塞中的電阻絲發熱，桿身受熱伸長，使閥口打開，柴油流出并著火燃燒，形成火焰預熱空氣。加熱油底殼是將加熱器牢固安裝到油底殼上，將其與控制盒上的接插件連接可靠，電源線與電源正極連接牢固可靠，當處于寒冷環境中，就可以對油底殼內的機油進行加熱。加熱水套主要是設置一個裝置，使發動機機體內冷卻液進行小循環加熱，發動機冷卻液進口端固定一個加熱管與溫控器，冷卻液在發動機機身水套中冷熱循環，使柴油機水套中的冷卻液始終保持在一定溫度。根據裝備結構不同安裝相應的加熱設備，以達到預熱發動機的目的，避免在極寒的惡劣環境中裝備無法正常啟動。

3 結論

在寒冷的冬季，發動機啟動困難日益受到各界關注，本文以國內外發動機低溫啟動學術成果為基礎，結合自己多年來維修經驗系統分析了發動機低溫啟動困難的原因，并針對原因進行了深入分析，提出了解決發動機低溫啟動困難的具體措施，供駕駛員和維修人員參考。

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