焦贵利 禹东方 朱学斌 武之剑 许丽梅 吴宝龙
（1-泰安航天特种车有限公司 山东 泰安 271000 2-北京航天发射技术研究所 3-陕西北方动力有限责任公司）
低温起动性能是重型越野车环境适应性的重要指标，由于气候条件等因素的影响，低温冷起动问题一直是困扰重型越野车行业的难题。如果在低温条件下车辆无法正常起动，这不仅直接影响车辆的性能，严重的甚至会带来不可估量的损失，尤其对以风冷柴油机作为动力承担特殊使命的重载特种车辆冷起动性能要求更为苛刻，采用常规措施有时难以达到要求，由此可见研究车辆低温起动技术意义重大[1-5]。
为保证以风冷柴油机作为动力的重型越野车在低温条件下可靠使用，国内外在相关领域开展了大量的基础和试验研究，系统探讨柴油机冷起动过程发展机制和特征，建立相应的计算模型，阐明冷起动影响因素[1]，运用行之有效的措施与附加装置，以提高汽车低温起动性能，解决起动困难问题[2]。试验研究表明，12 缸风冷柴油机采用火焰预热装置仅能满足-25℃低温起动需要[3]；
采用起动液、冷却介质加热、润滑油加热、低温蓄电池等冷起动措施虽然能在一定程度上改善车辆低温起动性能，但都存在起动时间长、操作繁琐的缺点[4]；
采用电热预热方式确保升高进气温度，可促使柴油机在-35℃低温条件下顺利起动[6]。
本研究将以国产重型越野车广泛使用的BF12L513C 系列12 缸风冷柴油机为例，结合某重型越野车-40 ℃极寒条件的应用要求，在借鉴国内外研究成果和分析现有技术不足的基础上，从进气预热、电源等方面对低温起动技术深入研究，探求重型越野车低温起动影响因素及改善措施，为低温快速起动提供技术途径。
柴油机低温起动影响因素主要包括润滑油粘度、燃油雾化质量、蓄电池放电性能等。当环境温度降低时，润滑油粘度增加，重型越野车大功率风冷柴油机摩擦副很难得到良好预润滑，从而导致起动阻力增大，再加上重型越野车设有液力机械变速器等负载，也增大了柴油机起动阻力，使柴油机起动转速降低，缸内压缩空气温度和压力不易达到柴油燃烧所需条件，柴油机难以起动；
柴油粘度提高和密度增大，导致其流动性变差，雾化不良，延长了着火滞后期，造成柴油机起动困难；
蓄电池容量降低，柴油机起动转矩大幅度减小，起动机不能拖动柴油机达到最低起动转速，柴油机难以着火运转[1-5，7]。
通过分析重型越野车低温起动影响因素，确定采用优化进气温度、提升蓄电池输出功率等措施提高低温起动性能，本研究对某重型越野车发动机进气预热装置、电源进行设计优化。
2.1 发动机进气预热装置
低温时进气温度下降直接造成柴油机冷起动困难，柴油机进气温度T1和压缩温度T2的关系可用式（1）表示[1]
式中：V1为压缩前燃烧室容积，mL；
V2为压缩后燃烧室容积，mL；
n 为压缩过程多变指数。
由式（1）可知，提高进气温度可使发动机压缩空气温度显著提高，有利于改善着火条件。
2.1.1 常用进气预热方式
进气预热是改善柴油机低温起动性能最为有效的技术措施，通过辅助加热装置加热进气，从而实现提高压缩空气温度，可使柴油机在低温下顺利起动[1-2，7]。
1）火焰预热装置
火焰预热装置由预热塞、供油系统及控制系统组成，通过预热塞使柴油在进气管内燃烧加热进气，因工作中需要消耗进气中的氧气而有部分废气产生，预热塞加热功率不易过大，对进气温度提升幅度较小，但由于它耗电量小、效果明显、使用方便，因此成为柴油机一种主要的低温起动装置[2]。
BF12L513C 系列风冷柴油机火焰预热装置控制器由降压电阻、温度开关组成，降压电阻用于预热塞过压保护；
预热塞安装在发动机左、右进气管的直线段靠近进气歧管处，左侧、右侧各一只预热塞集中预热进气。预热60 s 后预热塞温度达900 ℃，温度开关控制预热指示灯点亮，通过电磁阀与油管将柴油输送到预热塞进行火焰预热起动[4]，图1 为火焰预热装置工作原理。其优点是易于控制，加热效果明显；
缺点是结构复杂，工作中消耗氧气不仅导致发动机功率损失，而且不利于排放。
图1 火焰预热装置工作原理
2）电热预热装置
电热预热装置通过蓄电池电能转变为热能加热进气，使用过程中蓄电池电能消耗较多，起动系统输出功率降低，但由于它结构简单、使用方便、工作可靠、加热均匀、对进气没有污染，可使柴油机在较低温度下快速起动，因此被广泛使用。
电热塞预热装置采用电热塞作为加热元件，电热塞安装在发动机进气管上，利用一只或几只电热塞加热进气管内的空气，预热90 s 后电热塞温度达380℃，进气通过灼热的电热塞被加热[2]，图2 为电热塞预热装置工作原理。其优点是结构简单，布置灵活，安装方便；
缺点是散热面积小，仅对能辐射到的局部区域加热效果明显。
图2 电热塞预热装置工作原理
格栅预热装置采用格栅加热器作为加热元件，格栅加热器是一只位于发动机进气歧管喉管处装有电热元件的进气道，使通过的冷空气边流动边加热，预热90 s 后加热器温度达1 150 ℃，流经加热器的空气被加热[2]，图3 为格栅加热器。其优点是散热面积大，进气受热均匀，加热效果更好；
缺点是通用性差，需对进气管进行专门设计，安装相对复杂，由于采用栅格结构对发动机进气量有一定的影响。
图3 格栅加热器
2.1.2 进气预热结构优化设计
某重型越野车使用BF12L513C 风冷柴油机，表1 为柴油机技术参数。由表1 可见，发动机功率大，起动过程中进气量需求大，这对低温起动时发动机进气预热效果提出更高要求。经进一步研究发现，其采用腔体较大的外置结构进气歧管，额外加装进气预热装置较为容易[8]。
表1 柴油机技术参数
根据进气量大、进气歧管腔体大、散热快等特点，鉴于发动机配套火焰预热装置加热功率不足，经反复论证和实验比对，确定某重型越野车进气预热型式由火焰预热优化为大功率电热预热，进气预热装置采用格栅加热器、电热塞组合加热型式；
格栅加热器安装在中冷器和发动机左、右进气歧管连接处，左侧、右侧各一只加热器集中预热进气；
电热塞安装在发动机左、右进气歧管上靠近缸盖进气道处，左侧、右侧各四只电热塞分缸预热进气；
进气经由空滤器、进气总管、中冷器、格栅加热器、进气歧管、电热塞进入气缸，格栅加热器和电热塞同时加热整个进气歧管内部的空气，使进气温度得到充分预热[5]，图4 为加热器安装布置。
图4 加热器安装布置
2.1.3 柴油机起动理论加热量计算
柴油机顺利起动进气所需加热量理论计算[7]如下：
1）压缩多变指数n1
式中：Pca为气缸进气压力，Pca=（0.8～0.9）Pd，Pd为进气歧管压力，MPa；
Pcc为压缩终点压力，MPa；
εcc为有效压缩比。
2）压缩始点温度Tca
式中：Tcc为压缩终点温度，K。
3）进气系统温度Td
式中：k 为热利用系数，依据经验取1.5～2。
4）柴油机进气量GS2
式中：φC为充气系数，取0.75；
Vs为气缸工作容积，L；
i 为气缸数；
n 为发动机转速，r/min；
R 为空气气体常数，R=0.287 kN·m/（kg·K）；
ηs为柴油机扫气系数，起动过程中增压器不工作，取1；
t 为起动时间，取30 s。
5）柴油机起动所需加热量Q1
式中：Cp为定压比热容，温度为-21～-50 ℃时，取1.013 kJ/（kg·K）；
Ta为环境温度，K。
6）进气歧管壁散失热量Q2
式中：λ 为进气歧管导热率，材料为铸铁，取39.2W/（m·K）；
A 为进气歧管内表面积，m2；
δ 为进气歧管壁厚，取0.01m；
△T 为缸内、管内平均升高温度，K。
7）加热器所需提供的加热量Q
根据式（2）～（8）计算，同时考虑一定的设计余量，确定BF12L513C 柴油机在-40 ℃顺利起动时需要配套两只功率为3 000 W 格栅加热器、八只功率为480 W 电热塞同时预热110 s。
2.2 电源
蓄电池输出功率影响发动机低温起动性能。输出功率大，发动机能在更低温度下起动，提高了发动机低温起动性能，但随着环境温度下降，蓄电池容量降低，输出功率下降，发动机起动转矩减小，从而使发动机能起动的最低温度升高，起动性能下降。
某重型越野车使用680 25D 铅酸低温蓄电池，其特点是使用薄极板来降低蓄电池内阻，提高蓄电池输出功率，但由于铅酸电池固有特性，决定了其极寒条件下的大电流放电容量很难提高[2]。锂电池功率密度和容量密度都较高，以现在的技术可以做到在同样的体积质量情况下，锂电池容量是铅酸电池容量的5～7 倍，且其环境适应性优于铅酸电池，图5 为不同温度下锂电池和铅酸电池放电容量对比，前者远高于后者，随着温度的降低，差别更加明显。
图5 锂电池和铅酸电池放电容量对比
针对特种重型越野车使用环境更加恶劣的特点，近年国内企业对低温磷酸铁锂起动电池进行重点研发，技术获得重大突破，现已进入批量应用阶段，电池在-40 ℃低温条件下1C 倍率放电容量保持率达到90%以上，图6 为低温磷酸铁锂电池放电性能。由于低温磷酸铁锂电池充放电量受温度变化影响较小，具有安全稳定性好、循环寿命长、能量密度高、低温性能突出的优势[9]，成为特种重型越野车的首选电源。
图6 低温磷酸铁锂电池放电性能
根据某重型越野车配套12 缸柴油机冷起动电流大、采用大功率电热预热等电气设备需要消耗蓄电池较多的电能，经蓄电池容量匹配计算，确定选用四块12 V 180 Ah 低温磷酸铁锂电池先并后串成组为整车供电，该电池在-40 ℃低温条件下放电电流1 000 A，放电时间超过10 min，且随着电量的消耗，输出功率反而提升，其有能力支持大功率的加热设备，对发动机进行充分预热后还有足够的电量储备以进行多次起动[5]。
3.1 试验状态
试验车辆为8×8 全轮驱动重型越野车，该车配套BF12L513C 风冷柴油机、WSK400+8S221 液力机械变速器、发动机电热进气预热装置、四块12 V 180Ah 低温磷酸铁锂电池。
3.2 试验环境
试验车辆置于低温试验室内，待机油、柴油、缸盖等温度达到试验室环境设定温度-40 ℃时，保温12h 后进行车辆起动试验。
3.3 试验步骤
步骤1：拖动发动机运转40 s，减小起动阻力，蓄电池放电提高低温性能，为正式起动做准备。
步骤2：起动机停止工作20 s，蓄电池电压得以回升。
步骤3：拖动发动机运转40 s，进一步减小起动阻力。
步骤4：发动机预热110 s，提高进气温度易于起动。
步骤5：起动发动机。
试验车辆在低温试验室冷冻、保温达到试验条件后，按照规定的试验步骤操作，第一、二次拖动发动机，电压峰值为14.35 V，电流峰值为2 121.18 A，相比前期采用680 25D 铅酸低温蓄电池供电输出功率有显著提高。图7 为车辆预热起动过程试验数据，待预热后第三次拖动发动机，拖动转速从213 s 开始升至220 r/min，之后缓慢上升、着火、继续缓慢上升，柴油机转速在260 s 时达到1 400 r/min。通过试验观察，电热预热相比火焰预热更利于进气温度升高，可使进气温度保持在80 ℃左右，改善了柴油机可燃混合气燃烧条件，混合气温度提高以及转速增加所引起的强烈压缩作用，两者相互促进保证了柴油机拖动转速持续升高，最终柴油机成功着火运转[6]。
图7 车辆预热起动试验数据
通过对重型越野车低温冷起动问题的分析研究，创新性地采用电热进气预热、低温锂电池等技术措施，优化进气温度、提升蓄电池输出功率有助于提高低温起动性能，在国内首次实现重型越野车-40 ℃低温条件下起动时间不大于4 min 的要求，解决了长期以来起动时间长、操作繁琐的难题，可有效提高车辆高寒环境适应性，保障上装设备正常工作，这对于特种重型越野车尤为重要。
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