淺談低溫環境下柴油發動機起動性能特性

收稿日期：2023-12-05

【摘 要】文章以東康6CT 3階段發動機（配裝24V 7.5kW起動電機）為分析對象，對低溫環境下的柴油發動機起動特性進行初步研究分析，便于后續在低溫環境下正確選型蓄電池和計算起動電流提供參考。

【關鍵詞】低溫；嚙合電壓；峰值電壓；起動電流

中圖分類號：U463.61 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（ 2024 ）07-0049-02

Discussion on Starting Performance Characteristics of Diesel Engine in Low Temperature Environment

LIU Chuang1，2，SUN Bin1，DONG Cuifen1

（1.School of Vehicle and Traffic Engineering，Zhengzhou University of Science and Technology，Zhengzhou 450064，China；2.Zhengzhou Key Laboratory of Special Vehicle Power and Control Technology，Zhengzhou 450064，China）

【Abstract】Taking Dongkang 6CT 3-stage engine（equipped with 24V 7.5kW starter motor） as the analysis object，this paper makes a preliminary research and analysis on the starting characteristics of diesel engine under low temperature environment，which is convenient for the correct selection of battery and calculation of starting current under low temperature environment.

【Key words】low temperature；meshing voltage；peak voltage；starting current

目前國內柴油發動機生產廠家在出廠時一般僅提供-25℃溫度下起動特性曲線，同時蓄電池國家標準GB/T 5008.1—2013《起動用鉛酸蓄電池第1部分：技術條件和試驗方法》也是在-25℃進行容量、起動電流等參數試驗，無論是發動機還是起動蓄電池在-30℃以下極寒溫度條件的特性研究較少。本文選定以25℃、-30℃、-40℃環境下發動機起動特性曲線測試數據為依據，對比淺析在極寒溫度條件下發動機起動特性，為低溫環境下正確選型蓄電池和計算起動電流提供參考。

1 不同溫度下起動特性曲線

1.1 常溫下起動特性

在25℃環境下，蓄電池電壓26V，起動電機從通電到完成起動持續工作1.4s，其中起動電機齒圈與發動機曲軸嚙合時間0.03s，軟起動電流260A，隨后初始停轉電流（第1個高波峰）1947A，此時停轉時電壓降至16.78V，發動機阻力矩電流（第2個高峰）1932A，第1高峰和第2高峰之間的時間0.01s，隨后起動電流迅速減小，以平均電流292A完成起動操作。

25℃常溫環境下起動特性曲線如圖1所示。從圖1起動特性曲線可以看出，起動機工作時，最大電流出現在起動電機嚙合后帶動齒圈從靜止至轉動的瞬間（0.01s），這個時間很短，但由于電流過大（接通瞬間，近似于短路），造成工作電壓急劇降低至16.78V。隨著第1個起動峰值過后，電流逐漸降低，系統電壓逐漸升高，在0.5s之后電流基本趨于穩定。

1.2 -30℃低溫環境下起動特性

在-30℃環境下，低溫對發動機自身和蓄電池的放電能力均產生影響，按照發動機使用維護說明書要求，將發動機的機油和燃油更換為與工作環境溫度相匹配油品標號，同時啟用發動機進氣加熱系統。

從圖2起動特性曲線可以看出：起動峰值電流1324A，電機拖動平均電流第1圈837A，第2圈534A，第3圈432A，第4圈378A。其中，瞬時最低電壓15.83V，平均拖動電壓第1圈19.2V，第2圈20.4V，第3圈20.93V，第4圈21.08V。與圖1常溫下起動曲線相比：①起動峰值電流變小，說明蓄電池在低溫環境下，容量降低，瞬間放電電流同步減小；②起動時間接近，常溫下起動用時1.3s，在-30℃環境下，起動用時1.4s；③剔除起動瞬間的2個峰值電流，后續工作電流與常溫工作電流接近。

1.3 -40℃低溫環境下起動特性

在-40℃低溫環境下，發動機機油和燃油同樣需要采用與環境溫度相適應的標號油品，同時對發動機加裝鍋爐預熱裝置。

從圖3起動特性曲線圖中可以看出，發動機起動瞬時峰值電流1150A，平均拖動電流第1圈650A，第2圈500A，第3圈370A，第4圈340A，瞬時最低電壓13.12V，平均拖動電壓第1圈17.74V，第2圈18.79V，第3圈19.35V，第4圈19.43V。

與常溫和-30℃低溫環境起動曲線對比可以看出：①起動峰值電流變得更小，說明蓄電池在低溫環境下，放電電流與溫度成正比；②起動時間延長，常溫下起動用時1.3s，在-30℃環境下，起動用時1.4s，而在-40℃起動用時2.6s；③工作電流在前5圈明顯大于常溫和-30℃電流，后續工作電流3種工況比較接近。

2 3種溫度下起動特性分析

1）瞬時最大電流變化：3種溫度環境下，起動電機通電工作時蓄電池瞬時最大電流隨溫度的降低而減小。本文所用的蓄電池瞬間峰值電流，在-40℃環境下僅有常溫環境下的60%。

2）起動時間：在3種不同溫度環境下，起動時間隨溫度降低而延長，-40℃起動時間與25℃常溫相比，起動時間延長1倍。

3）工作電流：起動電機的工作電流是一種逐步減小的波浪形曲線，最大電流出現在起動開始轉動的早期最大扭矩負載階段，當發動機跟隨起動機盤動起來后，起動電流迅速降低，3種溫度工況下，起動后半程工作電流隨溫度降低略有增加。

4）嚙合電壓：盡管起動瞬間電流比較大，但持續時間很短屬于毫秒級，在這段時間內，起動機能否正常工作起決定作用的是起動電機的嚙合電壓和保持電壓。起動電機與發動機嚙合的工作中存在嚙合和保持2個工作段，嚙合電壓不能低于16V，嚙合后保持電壓不能低于12V。低溫環境使蓄電池容量降低，放電電流減小，同時電池內阻同樣發生變化，進而造成工作電壓同步降低，當電壓低于起動電機嚙合或保持電壓時，就會造成起動電機與發動機脫開，起動失敗。

3 結論及應用

通過上述幾個溫度環境下的起動測試，經數據整理分析，初步可以得到以下結論。

1）隨著溫度的降低，蓄電池放電電流降低，在起動電機與發動機齒圈嚙合瞬間的峰值電流受蓄電池放電能力影響有所下降；當起動機帶動發動機經過第1圈盤動后，起動電流迅速降低，與常溫電流曲線接近。

2）低溫環境下，發動機能否成功起動的關鍵在于起動電機與發動機嚙合的瞬間，放電電流達到峰值，系統電壓降至最低，此時，嚙合電壓不能低于16V，隨后在起動機連續工作過程中，保持電壓不能低于12V，若出現低于此值的系統電壓，起動電機就會斷電脫開，造成起動失敗。

3）發動機起動過程中起動電機工作電流是一條逐步減小的波浪線，采用GB/T 5008.1—2013《起動用鉛酸蓄電池第1部分：技術條件和試驗方法》歸整為恒流放電模擬試驗不太精確，尤其是起動初期的峰值電流和伴隨的最低電壓對發動機能否成功起動起決定性作用，因此在選型蓄電池時，要考慮相應低溫環境下峰值電流和對應的最低電壓同時滿足起動電機需求。

通過上述得出的初步結論，在實際設計選型中，發動機滿足低溫環境下正常起動需求，需重點考慮：①發動機機油、柴油、防凍液等標號需滿足相應低溫環境要求，同時增加進氣預熱和鍋爐加熱等輔助起動裝置；②在常溫環境下采集發動機起動電流曲線，在此曲線上適當做出1.2～1.3倍的放大，以放大后的電流曲線選型滿足此要求的低溫電池；③蓄電池在目前GB/T 5008.1—2013《起動用鉛酸蓄電池第1部分：技術條件和試驗方法》恒流持續放電的基礎上，增加低溫環境下瞬間峰值電流和伴隨最低電壓的要求，在保證峰值電流出現時，對應的最低電壓不能低于起動電機工作的嚙合和保持電壓。

（編輯 凌 波）