改善柴油机起动性能的措施研究

改善柴油机起动性能的措施研究

徐世超 王勇  高建平 王嘉源 王萌 秦科

内蒙古必选机械制造有限公司  内蒙古自治区鄂尔多斯市  017120

摘要：柴油机可靠性高、经济性好，能适合各种作业环境，广泛应用于各类动力装置。低温起动性能直接影响柴油机在低温条件下的运行性能及寿命。我国地域辽阔，北方冬季气温较低，柴油机冷起动困难是制约其在低温环境下应用的重要因素。低温环境下，由于柴油机进气和机体温度低，压缩终点时的缸内温度偏低，缸内燃烧恶化，导致柴油机低温起动困难。柴油机的低温冷起动性能是车辆使用性能的重要指标之一，直接影响到低温条件下车辆起动的便捷性。因此，对柴油机低温冷起动时及对起动性能影响的研究，有利于改善柴油机汽车低温条件下的使用性能，并可为改善柴油机低温冷起动性能的措施选择提供理论依据。

关键词：柴油机；低气压低温环境；起动性能  

柴油机作为高效率的动力设备在国内各种工程领域以及涉及国家安防的军事设备领域都有广泛的应用。但是在低温环境下，柴油机的冷起动能力、工作稳定性、燃油经济性都表现欠佳。由于我国地域广阔，冬季气温严寒的土地面积占了很大比例，一些应急设备、抢险车辆及其它特殊装备，要求柴油机在-41 ℃的极寒条件下要有良好的起动性能以及能够稳定高效的运行。因此，对低温条件下柴油机的工作性能进行优化在柴油机领域是研究的一个热点。

一、低温冷起动时柴油机状态

柴油发动机在低温冷起动过程中的状态为：（1） 曲轴旋转阻力矩增大。润滑油的黏度随温度降低而增大，然而所选用的机油黏度越大，柴油机起动所需要的功率也越大。当润滑油的粘度增大时，润滑油的流动性也变差，各摩擦副之间的阻力增大，曲轴旋转阻力矩也增加，使发动机的起动性能下降。（2）发动机缸内温度较低。在低温冷起动条件下，因外界环境、发动机缸体温度低，同时缸内的工质与气缸壁的热能散失较多，导致进入气缸内的工质（雾化柴油和空气）温度低。压缩终点温度达不到起动时的必需温度，压缩终点压力也低于正常起动时所要求的压力，导致着火性能较差，滞燃期较长，低温冷起动性能不佳。（3）燃料泄漏损失量增加。在低温冷起动过程中，由于起动转速低于正常起动工况以及活塞环与气缸壁之间的密封油膜还未形成等原因，导致柴油发动机活塞环的密封作用降低；在压缩压力作用下工质通过活塞环间隙泄漏到曲轴箱中，其泄漏损失量增加。（4）可燃混合气品质恶化。随着外界温度的降低，柴油的黏度和密度均增大，表面张力加大。据测定，当温度从40℃降到 -10℃时，柴油的黏度提高 83%，密度增大 8%。低温和起动转速低等条件，均不利于燃料的蒸发和雾化；喷入气缸内未蒸发的燃油会附着在燃烧表面使混合气相对变稀，着火滞后期延长，造成燃烧品质劣化。（5）蓄电池供电性能降低。一般来说，蓄电池的最佳工作温度在 10～40℃范围，常用铅酸蓄电池放电性能主要受电解液密度的影响。随着外界环境温度的降低，电解液粘度增大使电解液的渗透能力下降，蓄电池的电容量减少；而且电解液密度的增加也使内阻增加，蓄电池的端电压随温度的降低而下降。因此，低温时起动发动机，必然导致起动机的起动力矩减小，达不到最低的起动转速，柴油机难以着火及稳定运转。

二、低气压低温环境对柴油机性能的影响

柴油机在低气压、低温条件下顺利起动是以柴油机为动力源的动力机械及设备正常工作的前提。柴油机能否起动主要因素: 起动转速、压缩终点压力和温度、混合气浓度。低温条件下，发动机起动转速下降，压缩终了温度降低，柴油雾化质量下降，导致柴油机起动困难; 在高原地区，大气压力和温度均较低，除了低温条件对起动性能的不利影响外，还有压缩终点压力较低、缸内混合气浓度增加等突出特点，使柴油机在高原环境条件下起动更加困难。

1、低气压低温环境对柴油机压缩终了压力和温度的影响。柴油机的最低着火临界温度，主要由气缸内工质压缩温度与压力决定，且随压缩终了压力的升高而降低。随着海拔的升高，大气压力和密度相应降低，海拔每升高 1000 m，大气压力和密度下降约为 11% ，海拔升高到 5000m 时，大气压力下降46. 7% 。受高海拔低气压和低温的双重影响，柴油机在起动过程中，进气温度降低、润滑油粘度增大、起动转速降低、压缩空气泄漏量增加、气缸壁传热损失增大，使压缩终了温度和压力下降; 大气压力每降低 10kPa、温度下降 10℃，压缩终了压力和温度分别下降 15% 和 21%，柴油机缸内混合气的着火温度升高 13% 。当压缩终了温度和压力下降到可燃混合气着火临界温度以下时，混合气将不能着火，柴油机就无法起动。由此可见，随着海拔的升高，柴油机压缩终点压力越低，柴油机起动越困难。柴油机在海拔 4000 m、－25℃ 条件下的低温起动难度相当于平原地区－40℃ 低 温起动。

2、低温对柴油机起动转速的影响。柴油机起动转速取决于起动功率和起动阻力矩的大小。起动功率越大、阻力矩越小，则起动转速越高，柴油机起动能力越强。但是，随着环境温度的下 降，起动机的供电电源－－蓄电池电解液( 稀硫酸溶液) 浓度增大，蓄电池内阻增加，起动电流降低，输出功率下降，导致起动转速降低，起动性能下降。因此，在低温条件下，由于蓄电池的内阻和起动电流的迅速增加，使蓄电池的端电压下降，起动输出功率下降，起动转速降低，最后导致柴油机不能起动。综上，高原低气压、低温环境，对柴油机压缩终点压力和温度、混合气浓度及起动转速产生重大影响，导致柴油机在高原低气压、低温环境下起动更加困难。

三、柴油机低气压低温起动性能的措施

柴油机的低温起动性能是柴油机的重要性能指标之一，它不仅关系到整机的工作效率，而且还影响其排放性能和经济性，以及柴油机的寿命。

1、发动机预热。在发动机气缸壁预热升温到 40℃～60℃，曲轴颈常温为 0℃～20℃，曲轴旋转阻力矩明显减小，发动机润滑条件开始形成，起动磨损可得到减少。因此，为使柴油发动机在低温下能顺利起动，应对柴油发动机的冷却液、进气、润滑油及燃油等进行预热。

2、蓄电池保温。对蓄电池的保温可以减少电解液密度的增加，减少电池内阻，提高电池的电容量和放电能力，且可延长蓄电池的使用寿命。对蓄电池进行保温的方法主要是，采用木质双层保温箱并在夹层中填装保温材料，或者将电热板放置在电池壳外围加热等。

3、使用起动液。在低温条件下使用起动液是低温冷起动的有效方法，即将具有挥发性好、燃点低等特点的起动液在柴油机起动时喷入进气管内，有利于发动机的着火燃烧。冷起动液是一般是由乙醚、低挥发点的碳氢化合物和带有添加剂的低凝点机油组成的辅助起动燃料。

4、合理选用运行材料。（1）选用低温型蓄电池。普通蓄电池的适用温度范围一般在-5℃～40℃，而低温型蓄电池，例如卷绕式蓄电池甚至可在 -55℃～75℃范围内正常工作。因此，合理选用蓄电池的类型和性能参数将有助于改善柴油机低温冷起动性能。（2）选用性能合理的润滑油。机油有品质等级差异，一般应根据车辆使用说明书的要求选用机油等级；在确定选用机油质量等级后，还要选择机油粘度。由于机油的粘度受到气温变化的影响，因此在不同的环境温度下应使用不同粘度牌号的机油。

结论

1、柴油机低温冷状态主要具有起动阻力大、燃烧状态差和起动力矩小等特点，因此，要有效的提高柴油机的低温冷起动性能必须一体化同时解决上述关键问题。

2、根据车辆使用的环境最低温度范围，合理进行发动机预热、蓄电池保温、使用起动液、选用运行材料性能（燃油、润滑油牌号）和蓄电池类型（低温型），以及定期进行发动机总成的维护保养，是从使用技术上保障柴油机低温冷起动性能的主要技术措施。

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