整车低温启动性研究

罗桂山，庞建中，史全胜，邢满禧，常晓峰

（1.海军驻上海704所军事代表室，上海 200031；2.北奔重型汽车集团有限公司，内蒙古包头 014030）

整车低温启动性研究

罗桂山1，庞建中2，史全胜2，邢满禧2，常晓峰2

（1.海军驻上海704所军事代表室，上海 200031；2.北奔重型汽车集团有限公司，内蒙古包头 014030）

介绍了整车在标准状态下的低温启动特性，通过在进气系统、燃油供给系统、油底壳机油采取加热措施，减小进、排气系统阻力，分析提升发动机的低温启动特性，同时在试验中，摸索了各种措施对整车（发动机）的低温启动特性的影响，掌握了整车（发动机）的降温特性，为整车（发动机）低温启动性能开发提升提供了技术支撑，同时提出了后续提升低温启动性能的措施和进一步研究方向。

发动机；低温启动；性能..

0 引言

整车的低温启动性能是满足车辆在恶劣工况正常使用的重要指标之一，特别是随着特殊工况的作业需求和军事特殊需要，提升整车低温启动性能是卡车研发的一个重要方向。基于这样的需求，对整车低温启动性能和提升方案进行了研究。

现有的低温启动方法包括：1）发动机进气道加热(在发动机进气道上加热空气)，该技术的应用可以确保车辆在-20℃以上顺利启动；2）增加乙醚喷射装置，利用乙醚的挥发性和低燃点，强制发动机缸内燃烧从而启动发动机，这种发动机启动方式容易导致发动机工作粗暴，对发动机损害较大；3）采用油底壳机油加热，该种方式为配合其他方式启动的方法，单独使用效果不明显，当采用外部对油底壳加热方式时，也不安全环保。

用户提出的低温启动特殊要求是在-40℃环境下，4分钟之内启动整车。针对这个要求，柴油发动机要想顺利启动，则需要发动机气缸内的混合气体在压缩冲程终了时能够压缩燃烧，从而使发动机工作。而影响整车低温启动性能的因素有进气系统、排气系统、燃油供给系统、发动机机油粘度、启动机功率、电瓶的容量和低温特性、发动机内阻这些方面，为了确保整车低温启动特性满足需求，进行了整车低温启动特性研究（本文所研究的发动机为V型8缸风冷柴油发动机）。

1 技术方案

研究车型为北奔2629LA车型，所匹配的发动机为风冷V8发动机，发动机本体带有进气系统或预热装置，可以在-20℃环境下正常启动，为了提升该车型的低温启动性能，在涉及发动机低温启动影响因素方面，均提出了技术提升方案。

对于进气系统，在发动机现有燃油加热预热塞基础上，增加了两组（4个）电预热塞（即每个进气道上有3个预热塞，共有6个预热塞）。另一种方案是在进气系统管路处串联一个燃油空气加热器，用于加热进气道中的空气，提升低温启动时的进气温度。如有必要，可以在拆掉滤芯时（可减小进气阻力2.5kPa以上），对空气预滤器进气口火焰喷射，加热进气温度，以提升发动机低温启动性。

对于排气系统，在排气管进入消声器之前，加装一个转换接头。当低温启动时，为了减小排气背压，转换接头调整排烟口直排大气。当发动机启动后，转换接头调整排烟口与消声器连接起来，起到控制噪声和排放的效果，短接消声器可减少排气背压5.7kPa，减小发动机启动阻力。

在燃油供给系统中，增加了图1所示燃油加热系统和自动泵油装置，提升燃油在低温下的流动性和雾化性，确保发动机缸内容易燃烧，满足发动机启动要求。

图1 增加了燃油加热系统和自动泵油装置的燃油供给系统

为了确保低温启动时，电瓶容量能够满足要求，对蓄电池的低温放电特性进行了实验分析，计算出该八缸发动机需要的铅酸蓄电瓶的容量为2×12V×200AH。同时，由于磷酸铁锂电池具有越启动、越有劲的特点，所以采用磷酸铁锂电池作为备选方案，磷酸铁锂电池的工作特性见图2。相比图3所示普通铅酸蓄电池的工作特性，可以看出磷酸铁锂电池电瓶能够连续、较长时间大功率工作，且其工作寿命长；但刚开始使用时，磷酸铁锂电池电压较低，随着使用时间变长，电压逐步提高并保持稳定。

图2 磷酸铁锂电池的工作特性

图3 普通铅酸蓄电池工作特性

为了提升起动性能，选用9kW启动机，以确保低温时起动力矩足够大。

为了降低发动机启动时由于机油粘稠增大活塞运动的阻力，在油底壳加装了热交换器，其工作原理如图4所示，具体为：燃油由油箱，经油泵及油管雾化挥发进入燃烧室中，与进气口吸入的空气混合并燃烧。燃烧废气由排气口排出。同时，燃烧产生的热量通过热交换器传递给夹层中的循环液体（防冻液），循环液体在水泵的作用下强制排出，排出的冷却液首先流经发动机油底壳中的热交换器，加热油底壳中的机油，实现油底壳预热；随后，冷却液流经驾驶室暖风机，实现驾驶室预热；最后，冷却液流经蓄水罐回到加热器进水口，实现循环加热。利用外部燃油加热器加热循环水，循环水加热发动机油，降低机油粘稠度，从而降低发动机阻力，确保整车启动。

同时作为备选方案，对发动机的进排气门作控制（采用电磁控制阀，在发动机启动时，打开其中四个缸的排气门，降低气缸工作阻力），使发动机在启动时，只有四个缸做工作，其它四个缸不再工作，以降低起动阻力（理论上，可降低发动机启动阻力的一半），从而提升整车发动机启动性能。发动机启动成功后，通过转速信号自动控制发动机的其它四个缸进入正常工作状态，从而使发动机进入正常工作状态。

图4 油底壳加装了热交换器系统原理

2 具体方案实施及试验验证

为了确保低温-40℃环境下在4分钟内启动整车发动机，将以上的思路和方案在车上匹配实现：1）底盘匹配油路预热电动供油系统，在燃油供给系统中，串联了电动供油泵，燃油管路增加了加热系统，以提升燃油的及时供给和物化特性；2）匹配发动机进气电预热塞系统，在V型发动机的两侧进气道上，加装了各两个电预热塞，结合原有的燃油加热塞，提升了可燃气体的压缩初始温度，确保快速启动；3）发动机油底壳加装热交换器系统，提高机油温度减小发动机启动阻力；4）匹配普通铅酸和新型磷酸铁锂蓄电池，做一个起动性能对比。进气系统管路处增加串联一个燃油空气加热器方案，排气系统安装转换接头降低阻力的方案，发动机使用半数缸参与启动的方案，由于时间紧，没有进入方案实施中。

具体的试验方案包括4个，分别为：a）油底壳加热后，利用发动机本体预热装置加热发动机进气、2×12V×200AH蓄电池、9kW起动机，进行低温启动试验；b）油底壳不加热，采用油路预热电动供油、发动机进气系统再增加进气电预热塞、2×12V×200AH蓄电池、9kW起动机，进行低温启动试验。此外，还在-40℃环境下进行了整车（发动机）处于-35℃、-30℃、-15℃时的低温启动试验；c）油底壳不加热，采用油路预热电动供油、发动机进气系统再增加进气电预热塞、2×12V×200AH蓄电池、9kW起动机、进气道处用火焰加热，进行低温启动试验；d）油底壳不加热，采用油路预热电动供油、发动机进气系统再增加进气电预热塞、2×12V×180AH磷酸铁锂电池、9kW起动机、进气道处用火焰加热，进行低温启动试验。

同时，利用低温试验，摸索发动机温度在-40℃的环境下，整车（发动机）的降温特性。

试验结果：采用a方案，发动机可以在12分钟内启动；采用b方案，发动机在-40℃时可以在4分钟49秒内启动，在-35℃时，3分50秒启动成功，在-30℃时，1分52秒启动成功，在-15℃时，不采取任何加热措施可在34秒启动成功；采用c方案，发动机可以在2分钟5秒内启动；同时为了验证其它配置试验，采用d方案在-40℃环境下，进行了3次启动（3次启动筛选了8V、6.2V、6.2V低电压触动继电器），都未成功。在实验过程中，同时还监控了发动机油温、柴油油温、电瓶启动过程中的电压和电流变化。

对 d方案未能启动成功原因进行分析，发现每次启动时，启动机转动一下后随着电路中电压的降低，发动机的起动机不再工作，导致发动机不能启动。对启动电路进行分析，发现启动电路设计没有问题（如图5所示），但电路带有启动闭锁继电器，检查实验记录数值，发现在启动时，电路中的电压会降低到4.6V～8.3V左右，通过与启动闭锁继电器厂家沟通，了解到启动闭锁继电器在8V以下时不会吸合，也就是说，使用磷酸铁锂电池在-40℃低温启动实验时，起动机处电压会降低到某个值（8V）时，由于电压太低，启动机就停止工作，导致发动机不能启动。为了验证该推理，在启动电路中，匹配常规继电器（如图6所示），启动成功，说明匹配磷酸铁锂蓄电池的发动机不能启动的原因是由于启动机工作时，导致电瓶电压降低到不能激励继电器结合。

图5 带有启动闭锁继电器的起动电路

图6 带有启动继电器的起动电路

对（整车上）发动机低温降温特性分析，（整车上）发动机机油温度降低到-40℃时，需要时间为795分钟；降到-35℃时，需要时间为595分钟；在-40℃环境下车辆熄火后，整车降到-35℃（以发动机机油温度为准）时，需要的时间为360分钟。

3 结论

可以看出，当发动机采用油底壳加热、发动机本体进气系统加热、2×12V×200AH蓄电池、9kW起动机时，发动机可在12分钟内启动。

当发动机采用油底壳不加热、油路预热电动供油、发动机进气系统再增加进气电预热塞、2×12V×200AH蓄电池、9kW起动机、进气道处用火焰加热方案时，发动机可在4分钟49秒内启动。

采用油底壳不加热，采用油路预热电动供油、发动机进气系统再增加进气电预热塞、2×12V×180AH/240AH/360AH磷酸铁锂电池、9kW起动机、进气道处用火焰加热方案时，铅酸蓄电池时可以在4分钟内启动；但采用磷酸铁锂电池蓄电池时，由于磷酸铁锂电池的固有特性，当电路中有启动闭锁继电器时，由于启动闭锁继电器不能吸合，发动机无法启动，当启动电路采用普通启动闭锁继电器，可以启动发动机。

当采用采用油路预热电动供油、发动机进气系统再增加进气电预热塞、2×12V×200AH蓄电池、9kW起动机方案时，在-35℃时，可以满足在4分钟内启动，通过记录可以看出，在-40℃环境下，发动机启动运行后，发动机可以在6个小时降到-35℃，此时启动发动机可以正常启动。也就是说，发动机在-40℃环境下，每间隔6小时就可以启动一次发动机，也可满足4分钟发动机启动的要求。

由于时间进度的关系，没有对排气系统的改进、进气道加热改进和发动机本体半数缸用来启动的改进进行试验，这些措施应该对整车（发动机）低温启动特性会有较大贡献，后续需要探索这几项设计改进对低温启动性能的影响。

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Research on Performance of Low-temperature Start for Vehicle

LUO Gui-shan1,PANG Jian-zhong2,SHI Quan-sheng2,XING Man-xi2,CHANG Xiao-feng2
(1.Navy Representative Office at No.704 Research Institute,Shanghai 200031,China;2.Beiben Trucks Group Co,Ltd,,Baotou 014030,China)

The characteristics of the vehicle in standard condition at low temperature are introduced.By taking heating measures in the intake system,fuel supply system and the sump oil,the intake and exhaust system resistance is reduced and the cold start characteristics are analyzed and improved.Meanwhile,the impact of various measures on the vehicle (engine) cold start characteristics iss explored in the experiment.The cooling characteristics of the vehicle (engine) are got,that provides a technical support for the vehicle(engine) to enhance the development of low-temperature start performance.The follow-up measures to enhance the low-temperature start performance and further research directions are suggested.

engine; low-temperature start; performance

U46

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.05.017

罗桂山（1963-），男，高级工程师。研究方向：内燃机和船舶特辅机。