重型越野車低溫快速起動技術研究

焦貴利 禹東方 朱學斌 武之劍 許麗梅 吳寶龍

（1-泰安航天特種車有限公司 山東 泰安 271000 2-北京航天發射技術研究所 3-陜西北方動力有限責任公司）

引言

低溫起動性能是重型越野車環境適應性的重要指標，由于氣候條件等因素的影響，低溫冷起動問題一直是困擾重型越野車行業的難題。如果在低溫條件下車輛無法正常起動，這不僅直接影響車輛的性能，嚴重的甚至會帶來不可估量的損失，尤其對以風冷柴油機作為動力承擔特殊使命的重載特種車輛冷起動性能要求更為苛刻，采用常規措施有時難以達到要求，由此可見研究車輛低溫起動技術意義重大[1-5]。

為保證以風冷柴油機作為動力的重型越野車在低溫條件下可靠使用，國內外在相關領域開展了大量的基礎和試驗研究，系統探討柴油機冷起動過程發展機制和特征，建立相應的計算模型，闡明冷起動影響因素[1]，運用行之有效的措施與附加裝置，以提高汽車低溫起動性能，解決起動困難問題[2]。試驗研究表明，12 缸風冷柴油機采用火焰預熱裝置僅能滿足-25℃低溫起動需要[3]；采用起動液、冷卻介質加熱、潤滑油加熱、低溫蓄電池等冷起動措施雖然能在一定程度上改善車輛低溫起動性能，但都存在起動時間長、操作繁瑣的缺點[4]；采用電熱預熱方式確保升高進氣溫度，可促使柴油機在-35℃低溫條件下順利起動[6]。

本研究將以國產重型越野車廣泛使用的BF12L513C 系列12 缸風冷柴油機為例，結合某重型越野車-40 ℃極寒條件的應用要求，在借鑒國內外研究成果和分析現有技術不足的基礎上，從進氣預熱、電源等方面對低溫起動技術深入研究，探求重型越野車低溫起動影響因素及改善措施，為低溫快速起動提供技術途徑。

1 影響因素分析

柴油機低溫起動影響因素主要包括潤滑油粘度、燃油霧化質量、蓄電池放電性能等。當環境溫度降低時，潤滑油粘度增加，重型越野車大功率風冷柴油機摩擦副很難得到良好預潤滑，從而導致起動阻力增大，再加上重型越野車設有液力機械變速器等負載，也增大了柴油機起動阻力，使柴油機起動轉速降低，缸內壓縮空氣溫度和壓力不易達到柴油燃燒所需條件，柴油機難以起動；柴油粘度提高和密度增大，導致其流動性變差，霧化不良，延長了著火滯后期，造成柴油機起動困難；蓄電池容量降低，柴油機起動轉矩大幅度減小，起動機不能拖動柴油機達到最低起動轉速，柴油機難以著火運轉[1-5，7]。

2 起動方案設計

通過分析重型越野車低溫起動影響因素，確定采用優化進氣溫度、提升蓄電池輸出功率等措施提高低溫起動性能，本研究對某重型越野車發動機進氣預熱裝置、電源進行設計優化。

2.1 發動機進氣預熱裝置

低溫時進氣溫度下降直接造成柴油機冷起動困難，柴油機進氣溫度T1和壓縮溫度T2的關系可用式（1）表示[1]

式中：V1為壓縮前燃燒室容積，mL；V2為壓縮后燃燒室容積，mL；n 為壓縮過程多變指數。

由式（1）可知，提高進氣溫度可使發動機壓縮空氣溫度顯著提高，有利于改善著火條件。

2.1.1 常用進氣預熱方式

進氣預熱是改善柴油機低溫起動性能最為有效的技術措施，通過輔助加熱裝置加熱進氣，從而實現提高壓縮空氣溫度，可使柴油機在低溫下順利起動[1-2，7]。

1）火焰預熱裝置

火焰預熱裝置由預熱塞、供油系統及控制系統組成，通過預熱塞使柴油在進氣管內燃燒加熱進氣，因工作中需要消耗進氣中的氧氣而有部分廢氣產生，預熱塞加熱功率不易過大，對進氣溫度提升幅度較小，但由于它耗電量小、效果明顯、使用方便，因此成為柴油機一種主要的低溫起動裝置[2]。

BF12L513C 系列風冷柴油機火焰預熱裝置控制器由降壓電阻、溫度開關組成，降壓電阻用于預熱塞過壓保護；預熱塞安裝在發動機左、右進氣管的直線段靠近進氣歧管處，左側、右側各一只預熱塞集中預熱進氣。預熱60 s 后預熱塞溫度達900 ℃，溫度開關控制預熱指示燈點亮，通過電磁閥與油管將柴油輸送到預熱塞進行火焰預熱起動[4]，圖1 為火焰預熱裝置工作原理。其優點是易于控制，加熱效果明顯；缺點是結構復雜，工作中消耗氧氣不僅導致發動機功率損失，而且不利于排放。

圖1 火焰預熱裝置工作原理

2）電熱預熱裝置

電熱預熱裝置通過蓄電池電能轉變為熱能加熱進氣，使用過程中蓄電池電能消耗較多，起動系統輸出功率降低，但由于它結構簡單、使用方便、工作可靠、加熱均勻、對進氣沒有污染，可使柴油機在較低溫度下快速起動，因此被廣泛使用。

電熱塞預熱裝置采用電熱塞作為加熱元件，電熱塞安裝在發動機進氣管上，利用一只或幾只電熱塞加熱進氣管內的空氣，預熱90 s 后電熱塞溫度達380℃，進氣通過灼熱的電熱塞被加熱[2]，圖2 為電熱塞預熱裝置工作原理。其優點是結構簡單，布置靈活，安裝方便；缺點是散熱面積小，僅對能輻射到的局部區域加熱效果明顯。

圖2 電熱塞預熱裝置工作原理

格柵預熱裝置采用格柵加熱器作為加熱元件，格柵加熱器是一只位于發動機進氣歧管喉管處裝有電熱元件的進氣道，使通過的冷空氣邊流動邊加熱，預熱90 s 后加熱器溫度達1 150 ℃，流經加熱器的空氣被加熱[2]，圖3 為格柵加熱器。其優點是散熱面積大，進氣受熱均勻，加熱效果更好；缺點是通用性差，需對進氣管進行專門設計，安裝相對復雜，由于采用柵格結構對發動機進氣量有一定的影響。

圖3 格柵加熱器

2.1.2 進氣預熱結構優化設計

某重型越野車使用BF12L513C 風冷柴油機，表1 為柴油機技術參數。由表1 可見，發動機功率大，起動過程中進氣量需求大，這對低溫起動時發動機進氣預熱效果提出更高要求。經進一步研究發現，其采用腔體較大的外置結構進氣歧管，額外加裝進氣預熱裝置較為容易[8]。

表1 柴油機技術參數

根據進氣量大、進氣歧管腔體大、散熱快等特點，鑒于發動機配套火焰預熱裝置加熱功率不足，經反復論證和實驗比對，確定某重型越野車進氣預熱型式由火焰預熱優化為大功率電熱預熱，進氣預熱裝置采用格柵加熱器、電熱塞組合加熱型式；格柵加熱器安裝在中冷器和發動機左、右進氣歧管連接處，左側、右側各一只加熱器集中預熱進氣；電熱塞安裝在發動機左、右進氣歧管上靠近缸蓋進氣道處，左側、右側各四只電熱塞分缸預熱進氣；進氣經由空濾器、進氣總管、中冷器、格柵加熱器、進氣歧管、電熱塞進入氣缸，格柵加熱器和電熱塞同時加熱整個進氣歧管內部的空氣，使進氣溫度得到充分預熱[5]，圖4 為加熱器安裝布置。

圖4 加熱器安裝布置

2.1.3 柴油機起動理論加熱量計算

柴油機順利起動進氣所需加熱量理論計算[7]如下：

1）壓縮多變指數n1

式中：Pca為氣缸進氣壓力，Pca=（0.8～0.9）Pd，Pd為進氣歧管壓力，MPa；Pcc為壓縮終點壓力，MPa；εcc為有效壓縮比。

2）壓縮始點溫度Tca

式中：Tcc為壓縮終點溫度，K。

3）進氣系統溫度Td

式中：k 為熱利用系數，依據經驗取1.5～2。

4）柴油機進氣量GS2

式中：φC為充氣系數，取0.75；Vs為氣缸工作容積，L；i 為氣缸數；n 為發動機轉速，r/min；R 為空氣氣體常數，R=0.287 kN·m/（kg·K）；ηs為柴油機掃氣系數，起動過程中增壓器不工作，取1；t 為起動時間，取30 s。

5）柴油機起動所需加熱量Q1

式中：Cp為定壓比熱容，溫度為-21～-50 ℃時，取1.013 kJ/（kg·K）；Ta為環境溫度，K。

6）進氣歧管壁散失熱量Q2

式中：λ 為進氣歧管導熱率，材料為鑄鐵，取39.2W/（m·K）；A 為進氣歧管內表面積，m2；δ 為進氣歧管壁厚，取0.01m；△T 為缸內、管內平均升高溫度，K。

7）加熱器所需提供的加熱量Q

根據式（2）～（8）計算，同時考慮一定的設計余量，確定BF12L513C 柴油機在-40 ℃順利起動時需要配套兩只功率為3 000 W 格柵加熱器、八只功率為480 W 電熱塞同時預熱110 s。

2.2 電源

蓄電池輸出功率影響發動機低溫起動性能。輸出功率大，發動機能在更低溫度下起動，提高了發動機低溫起動性能，但隨著環境溫度下降，蓄電池容量降低，輸出功率下降，發動機起動轉矩減小，從而使發動機能起動的最低溫度升高，起動性能下降。

某重型越野車使用680 25D 鉛酸低溫蓄電池，其特點是使用薄極板來降低蓄電池內阻，提高蓄電池輸出功率，但由于鉛酸電池固有特性，決定了其極寒條件下的大電流放電容量很難提高[2]。鋰電池功率密度和容量密度都較高，以現在的技術可以做到在同樣的體積質量情況下，鋰電池容量是鉛酸電池容量的5～7 倍，且其環境適應性優于鉛酸電池，圖5 為不同溫度下鋰電池和鉛酸電池放電容量對比，前者遠高于后者，隨著溫度的降低，差別更加明顯。

圖5 鋰電池和鉛酸電池放電容量對比

針對特種重型越野車使用環境更加惡劣的特點，近年國內企業對低溫磷酸鐵鋰起動電池進行重點研發，技術獲得重大突破，現已進入批量應用階段，電池在-40 ℃低溫條件下1C 倍率放電容量保持率達到90%以上，圖6 為低溫磷酸鐵鋰電池放電性能。由于低溫磷酸鐵鋰電池充放電量受溫度變化影響較小，具有安全穩定性好、循環壽命長、能量密度高、低溫性能突出的優勢[9]，成為特種重型越野車的首選電源。

圖6 低溫磷酸鐵鋰電池放電性能

根據某重型越野車配套12 缸柴油機冷起動電流大、采用大功率電熱預熱等電氣設備需要消耗蓄電池較多的電能，經蓄電池容量匹配計算，確定選用四塊12 V 180 Ah 低溫磷酸鐵鋰電池先并后串成組為整車供電，該電池在-40 ℃低溫條件下放電電流1 000 A，放電時間超過10 min，且隨著電量的消耗，輸出功率反而提升，其有能力支持大功率的加熱設備，對發動機進行充分預熱后還有足夠的電量儲備以進行多次起動[5]。

3 試驗方法

3.1 試驗狀態

試驗車輛為8×8 全輪驅動重型越野車，該車配套BF12L513C 風冷柴油機、WSK400+8S221 液力機械變速器、發動機電熱進氣預熱裝置、四塊12 V 180Ah 低溫磷酸鐵鋰電池。

3.2 試驗環境

試驗車輛置于低溫試驗室內，待機油、柴油、缸蓋等溫度達到試驗室環境設定溫度-40 ℃時，保溫12h 后進行車輛起動試驗。

3.3 試驗步驟

步驟1：拖動發動機運轉40 s，減小起動阻力，蓄電池放電提高低溫性能，為正式起動做準備。

步驟2：起動機停止工作20 s，蓄電池電壓得以回升。

步驟3：拖動發動機運轉40 s，進一步減小起動阻力。

步驟4：發動機預熱110 s，提高進氣溫度易于起動。

步驟5：起動發動機。

4 試驗分析

試驗車輛在低溫試驗室冷凍、保溫達到試驗條件后，按照規定的試驗步驟操作，第一、二次拖動發動機，電壓峰值為14.35 V，電流峰值為2 121.18 A，相比前期采用680 25D 鉛酸低溫蓄電池供電輸出功率有顯著提高。圖7 為車輛預熱起動過程試驗數據，待預熱后第三次拖動發動機，拖動轉速從213 s 開始升至220 r/min，之后緩慢上升、著火、繼續緩慢上升，柴油機轉速在260 s 時達到1 400 r/min。通過試驗觀察，電熱預熱相比火焰預熱更利于進氣溫度升高，可使進氣溫度保持在80 ℃左右，改善了柴油機可燃混合氣燃燒條件，混合氣溫度提高以及轉速增加所引起的強烈壓縮作用，兩者相互促進保證了柴油機拖動轉速持續升高，最終柴油機成功著火運轉[6]。

圖7 車輛預熱起動試驗數據

5 結束語

通過對重型越野車低溫冷起動問題的分析研究，創新性地采用電熱進氣預熱、低溫鋰電池等技術措施，優化進氣溫度、提升蓄電池輸出功率有助于提高低溫起動性能，在國內首次實現重型越野車-40 ℃低溫條件下起動時間不大于4 min 的要求，解決了長期以來起動時間長、操作繁瑣的難題，可有效提高車輛高寒環境適應性，保障上裝設備正常工作，這對于特種重型越野車尤為重要。