高原(严寒)柴油动力装备燃油加热低温起动系统研制

维普资讯 http://www.cqvip.com 第３７卷第１期　小型内燃机与摩托车　Ｖ０１．３７　Ｎｏ．１　２００８年２月　ＳＭＡＬＬ　ＩＮＴＥＲＮＡＬ　ＣＯＭＢＵＳＴ１０Ｎ　ＥＮＧＩＮＥ　ＡＮＤ　ＭＯＴＯＲＣＹＣＬＥ　Ｆｅｂ．２００８　高原（严寒）柴油动力装备燃油加热低温起动系统研制　宋兰庭赵云峰张时才许洪军　闰连新　尚林勇　（军事交通学院装备保障系天津３００１６１）　摘要：针对高原低温环境下军用柴油动力装备低温起动难和蓄电池保温能力差等实际问题，设计了柴　油动力装备燃油低温起动系统，该系统解决了发动机低温起动难的问题，并实现了起动后缸体快速升温　和蓄电池保温、驾驶室除霜取暖等功能。按照军用标准在一４１℃的环境中进行了整车低温起动试验。　试验证明该装置符合国家军用标准对低温起动的要求。　关键词：高原（严寒）柴油动力装备低温起动系统燃油加热器蓄电池保温箱　中图分类号：ＴＫ４２３．７＋４　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７１—０６３０（２００８）０１—００１８—０４　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｃｏｌｄ　Ｓｔａｒｔｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　Ｈｅａｔｉｎｇ　Ｆｕｅｌ　ｏｎ　Ｄｉｅｓｅｌ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ　ａｔ　Ｐｌａｔｅａｕ（ｉｎ　Ｅｘｔｒｅｍｅｌｙ　Ｃｏｌｄ　Ｚｏｎｅ）　Ｓｏｎｇ　Ｌａｎｔｉｎｇ，Ｚｈａｏ　Ｙｕｎｆｅｎｇ，Ｚｈａｎｇ　Ｓｈｉｃａｉ，Ｘｕ　Ｈｏｎｇｊｕｎ，Ｙａｎ　Ｌｉａｎｘｉｎ，Ｓｈａｎｇ　Ｌｉｎｙｏｎｇ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｍｉｌｉｔａｒｙ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ（Ｔｉａｎｊｉｎ，３００１６１）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｌ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｉｉｆｃｕｌｔｙ　ｏｆ　ｃｏｌｄ　ｓｔａｒｔｉｎｇ　ｆｏｒ　ｄｉｅｓｅｌ　ｐｏｗｅｒ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｂａｔｔｅｒｙ　ｆｏｒ　ｔｒｕｃｋ，ｆｉｒｓｔ，ｗｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｔｈｅ　ｃｏｌｄ　ｓｔａｒｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｈｅａｔｉｎｇ　ｆｕｅｌ　ｏｎ　ｄｉｅｓｅｌ　ｐｏｗｅｒ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ．Ｗｅ　ｒｅａｌｉｚｅｄ　ｔｈｅ　ｃｏｌｄ　ｓｔａｒｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｆｒｏｓｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｃａｂ　ｆｏｒ　ｔｒｕｃｋ，ｓｏｌｖｅｄ　ｔｈｅ　ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｕｎｄｅｒ　ｃｏｌｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｔｈｅ　ｃｏｌｄ　ｓｔａｒｔｉｎｇ　ｔｅｓｔｓ　ｏｆ　ｔｒｕｃｋ　ｗｅｒｅ　ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｗｉｔｈ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｆ——４　１　ｏＣ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ＧＪＢ．Ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｏｌｄ　ｓｔａｒｔｉｎｇ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ａｃｃｏｒｄｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ＧＪＢ　ｃｒｉｔｅｒｉａ　ｏｆ　ｃｏｌｄ　ｓｔａｒｔｉｎｇ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｔｈｅ　ｐｌａｔｅａｕ（ｉｎ　ｅｘｔｒｅｍｅｌｙ　ｃｏｌｄ　ｚｏｎｅ）ｄｉｅｓｅｌ　ｐｏｗｅｒ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，Ｃｏｌｄ　ｓｔａｒｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ，Ｈｅａｔｅｒ　ｏｆ　ｆｕ—　ｅ１．Ｐｒｅｓｅｒｖｉｎｇ—ｈｅａｔ　ｂｏｘ　ｏｆ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｂａｔｔｅｒｙ　引言　度过低，使得气缸内温度过低，压缩终了的空气温度与　在低温环境特别是在高原低气压环境下工作的车　压力降低，柴油黏度增大，流动性、蒸发性和喷雾特性　辆，经常会遇到柴油发动机冷起动困难的问题，并且在　变差，造成发动机冷起动困难或工作不稳定　。　起动以后工作也很不稳定，而且驾驶室的除霜和保温　因此有必要针对地处高原、寒区的各类车辆、工程　能力也很差，这不仅影响车辆的机动性能，也危及驾驶　机械装备，设计一套高效、可靠、安全、快速的低温加热　员的生命安全…。　起动系统，以保证发动机的正常起动和平稳运转，提高　造成上述问题的主要原因就是发动机工作环境温　驾驶室除霜、保温能力，确保车辆正常安全行驶。　作者简介：宋兰庭（１９５７一），男，高级工程师，主要从事军用车辆及动力机械工程和其在极端环境适应性方面的研究。　维普资讯 http://www.cqvip.com

第１期　宋兰庭等：高原（严寒）柴油动力装备燃油加热低温起动系统研制　ｌ９　１低温起动保温装置设计　低温起动保温系统（图１所示）由燃油加热器３、　排气集热器２ｌ和蓄电池加热保温箱２３等部分组成。　在低温环境下起动柴油发动机之前，首先要起动燃油　加热器３，加热流过的发动机冷却液（不冻液），在水泵　的作用下，加热的冷却液流经发动机机体ｌ３，使发动　机机油和缸体温度升高，从而顺利起动发动机。在发　动机起动后，如果发动机温度过低，也可以再次起动燃　油加热器，使得发动机缸体快速升温，确保发动机的平　稳运转。当发动机正常运转后，排气集热器和蓄电池　加热保温箱开始工作。排气集热器是利用发动机尾气　热量加热发动机冷却液，在循环泵ｌ　７的作用下分别进　入蓄电池加热保温箱２３和驾驶室内的取暖、除霜器　１，从而实现蓄电池保温和驾驶室取暖除霜等问题，同　时在低温环境下也辅助保持发动机正常的工作温度。　１．取暖、除霜器２．加热器进水管３．燃油加热器４、７、１６、　１８．电磁阀５．加热器出水管６．燃８．燃油箱９．排气集热进　水管１Ｏ．储液灌１　１．发动机出水管１２．发动机进水管１３．发动　机１４．排气集热出水管１５．排气集热进水管１７．排气集热循环　泵１９．发动机排气管２Ｏ．排气分流阀２１．排气集热器２２．排气　管消声器２３．蓄电池保温箱　图１低温加热起动、除霜保温结构简图　１．１燃油加热器　在低温环境特别是在高原低气压环境下，柴油动　力装备的冷起动十分困难，而目前采用的冷起动附加　装置效果并不理想　Ｊ。为此我们设计了低温燃油加　热器（图２所示）来快速提高发动机的缸体和机油温　度，从而解决了高原严寒条件下发动机冷起动困难的　难题，延长了发动机使用寿命。　燃油加热器主要是由ＥＣＵ控制器１、高压电脉冲　点火针４、柴油燃料供给系统８、柴油预热器１０、喷油　雾化器ｌ８、翅片式热交换器ｌ２、离心式中压直流风机　ｌ４及平衡进排气外壳ｌ５等组成。该加热器设计为整　体式加热器，安装在车架上，加热器水路与发动机小循　环管路（或发动机水堵碗）并联，油路与本车燃油箱连　接，ＥＣＵ控制系统电路与蓄电池相接。　１．控制器（ＥＣＵ）２．空气管３．平焰火口４．脉冲点火针５．　６．入水口７．电磁阀８．油泵９．柴油入口１０．柴油预热器１　１．出　水口１２．热交换器１３．电机１４凤机１５．夕　壳１６．集风蜗壳室　１７．火焰检测针１８＿喷油雾化器１９．集烟罩２Ｏ．空气入口２１．燃　烧废气出口　图２燃油加热器结构简图　打开ＥＣＵ控制器１的自动开关，３ｓ后柴油预热器　ｌ０开始工作，经过２～５ｍｉｎ预热先期着火时所需的柴　油燃料，以弥补在冷态时柴油难以雾化点燃的不　足　Ｊ。当燃油温度达到ｌ０℃时，高压放电脉冲点火系　统开始工作，此时，风机ｌ４怠速运转３０～４０ｓ后供油　电磁泵８开始供油，雾化的燃油与旋转的空气流充分　混合，一旦燃料连续燃烧，脉冲放电停止。风机可以根　据设定负荷的大小维持高速、中速或低速运转，设定之　后系统即保持该燃烧状态。在此期间，冷却液靠外置　离心电磁水泵７循环流动。离心水泵的开停控制与加　热器同步，通过换热器将热量循环传递给发动机冷却　液。通过监控冷却液的温度可实现加热器、水泵、发动　机合理匹配及温控智能报警功能，加热器也不会过热，　节约燃料，发动机可均匀升温，不至于因产生温度应力　而使机件损坏。　１．２排气集热器　发动机工作时，排气管会将大量的高温尾气直接　排放到大气中，这样不仅污染环境还浪费能源。与此　同时，在低温环境下车辆的蓄电池和驾驶室温度却很　低，需要大量的热能来保持蓄电池和驾驶室的正常温　度。为此，在本系统中设计了排气集热器（图３所　示），利用尾气的热量，既能给蓄电池加温，又能实现　驾驶室的取暖除霜，还能确保发动机的正常运转。其　结构主要包括：发动机排气管１、分流阀８、出水口２、　进水口４和加热翅片１　１等。　发动机正常工作后，如果驾驶室和蓄电池温度过　低，可以打开排气集热器工作。首先打开发动机排气　管上的分流阀８，经发动机排气管１排出的高温尾气，　分流到排气集热器３，利用该装置的加热翅片１１回收　维普资讯 http://www.cqvip.com 小型内燃机与摩托车　第３７卷　关５控制的。此保温箱是根据车体结构和蓄电池安装　位置的空间设计的，可与原车蓄电池互换安装。该保　１．发动机排气管２．出水口３．热交换集热器４．进水口　５．电磁阀６．蓄电池保温箱７．电磁阀水泵出口８．分流阀　９．排气消声器１Ｏ．电磁阀１　１．加热翅片　图３排气集热器系统设计结构简图　从发动机排气管１排出的高温尾气的热量，高温尾气　与导热剂（发动机不冻液）进行热交换迅速降温后排　出，而导热剂被加热后，在水泵７的带动下由出水口２　排出，分别进入驾驶室内的取暖、除霜器和蓄电池加热　保温箱６，导热剂经过再次热交换后变成常温液体，然　后流回到排气集热器３，如此循环往复，实现蓄电池保　温和驾驶室取暖除霜。蓄电池加热保温箱是自动温控　的，当蓄电池电解液的温度超过１５℃时，温控传感器　自动关闭电磁阀ｌ０，同时自动打开电磁阀５，导热剂经　过分流阀５进入驾驶室取暖除霜器，自动温控可完全　满足蓄电池对温度的要求，同时具有环保、节能、安全　实用等特点。　１．３蓄电池加热保温箱　蓄电池是车辆上的重要部件之一，发动机的起动　以及停车后车上所有的用电设备全靠它来供电，因此，　它的性能对车辆性能有着至关重要的影响　。在寒　区车辆运行中，需要将蓄电池的温度控制在适当的温　度，温度过高，将加速蓄电池的硫化，缩短使用寿命；温　度太低，蓄电池电解液黏度增加，导致内电阻加大，容　量、放电电流及放电功率都锐减，蓄电池的起动能力下　降　Ｊ。为了充分利用排气集热器收集的热量，提高蓄　电池的输出功率，设计了蓄电池加热保温箱（图４所　示），其主要结构包括：箱体和箱盖８、保温材料２、智能　控制单元６、温度传感器４、自动温控开关５和加热翅　片管３等。箱体及底部支架材质为低碳钢，保温层内　外夹壁材质为玻璃钢板和钢板，中间填充聚氨酯硬质　泡沫塑料。在寒区车辆运行中利用发动机排气集热器　３（图３）加热的导热剂（发动机不冻液）在水泵７（图　３）的带动下，由电磁阀１０（图３）经过发动机冷却液入　口１进入保温箱内，加热的导热剂通过散热翅片３对　蓄电池进行热流体循环加热保温。蓄电池保温温度　（１０℃左右）的控制是由温度传感器４和自动温控开　温箱无缝隙、承载力强、刚性好、保温性能好。　１．发动机冷却液入口２＿｛呆温材料３．加热翅片４．温度传感器５．自　动温控开关６．智能控制单元７＿发动机冷却水出口８．箱体和箱盖　图４蓄电池加热保温箱结构简图　２低温起动试验　２．１试验方法　试验按照国家军用标准ＧＪＢＩ５０．４—１９８６（（军用设　备环境试验方法低温试验》和ＧＪＢ１７６３—１９９３《军用越　野汽车气候适应性要求》，在总后车辆装备检测试验　中心进行。将安装低温起动装置的试验样车（加注凝　点较低的５０　军用柴油）在低温试验室内一４ＦＣ的环境　下冷冻５ｈ，测得发动机缸体温度降为一４０℃，（冷却液　温度为一４０℃），机油温度为一３８．９℃（润滑油为５Ｗ／　４０ＣＦ），蓄电池保温箱内温度为一２６．３℃，以此温度状　态为零起点，进行低温起动试验，每隔ｌ　ｍｉｎ记录一次　数据。在试验过程中，加热器一次性点燃，开始时大约　持续１５ｓ后冒黑烟，然后进入正常燃烧状态。当加热　器加热到第１７ｍｉｎ时，发动机内冷却液温度上升至　６０℃，油底壳温度上升至一３７．４℃，蓄电池内加热管近　处温度为６．６℃，远处温度为一１１℃，汽车一次性起动　成功，起动时间为１０ｓ，低温起动系统达到了设计要　求。　２．２试验结果及分析　图５～图７为此次低温试验温度随加热时问的变　化曲线。蓄电池箱内温度随加热时间的变化曲线（见　图５），Ｔｍ是箱内靠近箱盖处的温度，　是箱内靠近加　热管处的温度。由图５可知，蓄电池保温箱内的温度　随加热时间不断上升，靠近加热管的箱内侧升温较快，　靠近箱盖的外侧升温较慢。在整个加热时间，蓄电池　加热保温箱有效地将蓄电池的温度提高了２０℃，保证　了蓄电池有足够的输出功率，满足起动电机的需要。　图６是冷却液温度随加热时间的变化曲线，　是　维普资讯 http://www.cqvip.com 第１期　宋兰庭等：高原（严寒）柴油动力装备燃油加热低温起动系统研制　勰　２１　４　ｏ　罐　加　加热器出水口的温度，　是发动机出水口的温度，由　图７是油底壳内机油温度随时问变化曲线。由图　图６可知，加热器出水口的水温始终高于发动机出水　口的水温，加热器出水口的水温与发动机出水口的水　温基本以相同的速度不断上升。在１７ｍｉｎ内，加热器　将冷却液从一４１￣Ｃ逐渐加热升温至６０￣Ｃ，较快地提高　了机体温度，从而提高了缸内压缩终了的温度和压力，　７可知，油底壳内机油温度上升缓慢，在整个加热过程　中仅上升了２￣Ｃ。所以，在整个给缸体加热过程中，通　过预热缸体来提高油底壳内机油温度述度较慢。而在　低温环境中，由于发动机机油温度低、黏度大，则会影　响发动机的起动性能，并会造成机件磨损，因此提高机　保证了发动机的顺利起动，达到了设计要求。　图５　蓄电池箱内温度随加热时间的变化关系　图６冷却液温度随加热时间变化关系　图７油底壳内机油温度随加热时间变化关系　油温度不能仅通过提高机体温度来实现，必须采取措　施在起动前快速提高机油温度（加注低温性较好的润　滑油可克服上述问题，如５Ｗ／３０ＣＦ或５Ｗ４０ＣＦ／ＣＤ）。　３结论　１）低温起动装置使得发动机在一４１￣Ｃ环境下一次　性起动成功，起动时间仅１０ｓ，符合国家军用标准低温　起动要求。　２）加热器可在ｔ７ｍｉｎ内使发动机冷却液的温度由　一４１　ｃＩ＝升高到６０￣Ｃ，提高了缸体温度，从而提高了缸　内压缩终了的温度和压力。　３）蓄电池保温箱在一４１￣Ｃ的环境中冷冻５ｈ，保温　箱内温度保持在一２６￣Ｃ，高出环境温度１～５￣Ｃ，为发　动机低温起动提供了足够的输出功率，同时在寒区车　辆运行中利用发动机排气加热器和发动机加热的冷却　液对蓄电池进行加热保温，同时还提高了驾驶室除霜、　保温能力，确保司机能够正常行驶及顺利完成任务。　参考文献　１宋兰庭，西部开发高原、干热、沙漠环境机电产品科研攻　关项目规划报告［Ｒ］．机械工业环境技术研究中心，２０００　２杜巍．柴油机低温起动性能问题的探讨［Ｊ］．内燃机，　１９９８（５）：３６～３９　３柯亚仕，高桐生．柴油发动机高原性能的研究［Ｊ］．汽车技　术，１９８８（２）：５—１０　４　Ｋｅｍ　Ｃ．现代柴油机新型预热系统［Ｊ］．国外内燃机，２０００　（４）：４１～４４　５张玉虎．高原低温环境下内燃机起动的辅助措施［Ｊ］．农　业机械，１９９８（７）：４～１０　６袁雄．汽车低温起动［Ｍ］．北京：金盾出版社，１９９２　（收稿日期：２００７—０５—１５）