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摘 要 柴油机作为功能最强大的热力发动机，其运用在我国重型汽车领域以及军事设备领域中发挥着不容忽视的作用，而柴油发动机低温启动性能是发动机的重要性能之一，其在低温情况下影响着发动机是否能够正常启动。本文结合目前市面上的多种重型柴油车，对其发动机低温启动性能进行研究，通过分析影响柴油发动机在低温的情况下，发动机启动存在的问题，提出有利提高重型柴油车发动机低温启动性能的方案措施，对相关工作进行奠定理论基础。
关键词 重型柴油機;低温起动;发动机启动
前言
在低温环境下的柴油机启动过程中，由于润滑剂粘度的增加，进入摩擦部件表面的润滑剂量减少，油压缓慢建立。考虑到低速拖动阶段冷启动的成功率和油压上升的缓慢率，由于上述综合原因，不可避免地会发生更多的半干摩擦或摩擦或是局部干摩擦现象。许多文献认为，在启动过程中和启动后的预热过程中，由摩擦引起的磨损率占发动机总磨损率的46-73%。 另外，不良的冷启动性能会增加电池和启动器的负担，并增加故障率。因此，优化发动机的冷启动性能也是维持发动机和附件正常运行的需要。
1 研究背景
目前，柴油机作为发动机设备的情况十分普遍，在国家经济水平逐渐提升，运输实现高速化的情况下，效率高的柴油机技术运用十分广泛。在国外，5t以上的载货机车全部实现柴油机化，同时一些小型车也在朝着柴油化的方向迅速发展。在这种趋势下，我国也没有停止步伐，正大力朝着这方面进行技术性改革，以东风、解放、重汽等为主的重型柴油车企业，都在加大对柴油发动机低温启动性能的研究。
温度是影响柴油机普及的一个主要因素;我国寒带性的气候有寒冷、寒温型，在东北三省、乌鲁木齐等地区属于寒冷型气候，最低温度能够达到零下50℃左右，其他寒带性气候地域平均最低气温也都达到零下30℃左右，在这些地区使用柴油发动机，其启动性能显得非常重要，所以以东风、解放、重汽等为主的重型柴油车企业，都越来越重视重型柴油车发动机低温启动的性能，旨在靠着方面的技术在行业领域占据主导地位。甚至有国外的重型柴油车公司，将对柴油车发动机低温启动性能的研究放在第一位，在这个研究前提下再去研究柴油机的其他各方面性能如使用周期、运行噪音、尾气排放等。由此可见，提高重型柴油车发动机低温启动性能十分重要。
2 国内外研究现状
柴油机的启动性能是评估其性能的重要指标之一。国内外已经进行了许多研究以改善其启动过程。 但是，早期研究仅集中于添加辅助设备以确保柴油发动机在低温下平稳启动。 直到近年来，随着排放标准的日益严格，以及测试手段和电子控制技术的广泛应用，许多大学科研机构和公司开始深入研究点火，燃烧过程及相关因素，以达到提高柴油发动机低温启动性能目的。在满足启动性能要求的前提下减少排放。
柴油的着火和燃烧主要取决于压缩后气缸的压力，温度，柴油属性和柴油输送特性。由于较低的初始壁温和气缸内的开始向后速度，传热损失和漏气损失增加，气缸内的压缩温度和压力远低于正常工作条件，并且在气缸内混合物的形成条件在冷却器的启动条件下气缸不良，这使点火和燃烧性能变差。影响柴油机冷启动性能的主要因素是环境温度，环境压力，反向阻力速度，燃油喷射参数，燃油特性，压缩比，燃烧室设计等。
3 柴油机低温启动困难分析
在低温情况下，柴油机是否能够正常启动取决于非常多的因素，但是最主要的三个因素如下，即柴油机低温发动三要素：
燃料的物理性质，即柴油的流动性，只有满足足够充分的柴油流动性，发动机在启动时才能够获取到充足燃料，才得以启动;
经过压缩后的发动机气缸内达到温度、压强条件，在在这种条件下，燃料更容易着火，发动机可以启动;
柴油机初启动时，要有一定转速，有利于形成混合气体，达到启动条件。
在温度极低的情况下，上诉3个条件都很难达到。由于外界气温低导致发动机装置温度也低，这种情况下发动机转速得不到快速提升，这就会造成燃料气态流失以及热量流失，出现实际压缩比减少、气缸内燃料温度低以及压强小、燃料混合气体难形成、燃料难点燃等现象;低温情况下液体流动缓慢，即发动机润滑油粘度大，发动机启动阻力增大，转速降低;在燃料方面，低温情况下的柴油容易产生油水分离现象，即底层柴油变得更加粘稠，甚至出现凝固现象，流动性极差，然后输送量达不到发动机需求，且粘稠状态下的柴油极难形成混合气体，导致燃料无法点燃，或是断续点火，此时进入发动机压缩仓的燃料依附于仓壁，导致油膜损坏，增加混合气体的流失，同时导致压缩仓内温度无法提升。上述所有的情况，都导致柴油发动机无法启动。
如果不采取一定的手段措施，低温情况下，要想柴油机正常运行十分困难，甚至是不可能实现的。因此，要想提高重型柴油车发动机低温启动性能，就必须要结合上述三要素，从重型柴油车发动机的预热装置、辅助启动装置、润滑油参数等几方面入手，研究其解决方案，达到提高重型柴油车发动机低温启动性能的目的。
4 提高重型柴油车发动机低温启动性能的技术研究
锁随着国家科学技术水平提升，加上相关技术人员多年来的研究，针对柴油发动机低温启动困难，现已研究出多种技术，每种技术均存在着一些优缺点，对于不同的重型柴油车型，每种技术也有着不同的兼容性。笔者就目前市面上以东风、解放、重汽等为主的重型柴油车企业使用的主流技术进行一定研究。
4.1 火焰进气预热技术
（1）技术原理
该技术主要内容是对柴油机加装火焰进气预热装置，火焰进气预热装置是通过火焰预热塞使柴油在进气管内燃烧，形成火焰加热进气的预热装置。该装置由预热塞、电磁阀、进油管、出油管、控制器、水温传感器等组成。该装置的预热塞有良好的点燃性与续燃性，可以很好地预热柴油机的进气，改善燃烧条件，使柴油机在-35℃的低温下起动，并可减少排气管冒白烟，降低污染。该装置的控制器采用微电脑控制技术，功能智能化，操作简单。它是一种先进的进气预热装置，广泛用于重型柴油机车、工程车、大型设备及移动电站。目前，在采用温暖蓄电池的条件下，中国东风EQB210-20系列使用火焰进气预热装置，可使HFF6840K57、HFF6841K57型大型客车发动机在- 34℃起动成功;解放车型AH3313、AH5310GSN8型车采用全自动火焰进气预热装置，使YC6A260-20型发动机在温度高于-25 ℃时可保证发动机起动成功;部分斯太尔系列柴油机在进气歧管处安装火焰预热装置，依靠进气管上的2个预热塞进行进气预热，可保证车辆在- 30 ℃以上正常启动。 （2）技术优缺点及局限性分析
优点：重型柴油车发动机加装火焰进气预热装置，在一定程度上可以解决柴油机低温启动难的问题，使用效果比较明显。
缺点：在低于-35℃的自然环境中，采取单塞就很难正常启动发动机，采取双塞（单塞加热功率已达330W）总加热功率可达660W左石。提高加热功率能够适当提高混合气体温度，但是对于发动机启动不明显;装置加装操作比较复杂，且操作不当带量损害大。
局限性：在高于-35℃的情况下发动机启动效果比较明显，但是在低于-35℃的自然环境中，无法达到预期效果。
4.2 PTC进气预热技术
（1）技术原理
该技术主要内容是对柴油机加装PTC进气预热装置，柴油机PTC进气预热装置组成部分包括PTC进气预热器、气门控制机构、预热时间控制器、预热启动保护开关组成。其使用机制就是在低温状态下提高空气温度使压缩空气在压缩状态下达到燃油燃烧所需要的温度。PTC柴油进气预热装置是由北京天启星公司生产的，东风汽车公司为提高柴油汽车在高寒地区冬季启动性能而在EQ1108G6D-501和EQ1141G2-550载货汽车上安装的新的装置。
（2）技术优缺点分析
优点：PTC预热进气装置由于比较简单，安装接線比较方便，且对柴油机本体结构不发生重大改变，柴油机在低温环境下启动效果较好;它与常用的火焰塞、电热塞相比，具有自动恒温，耗比低，可靠性高、寿命长、故障率低、热效率高，适用温度范围广、控制器声光显示等多项优点。
缺点：由于安装调整不规范，或操作不恰当，装置容易产生一些常见故障，如预热开关打开后指示灯不亮、预热时间超过5 min 时，指示灯不闪烁，蜂鸣器不响、打开电源开关或打开预热器开关时烧断易熔线等。
4.3 改变润滑油低温动力粘度指标
（1）技术原理
低温动力粘度指油品在规定条件下，采用毛细管粘度计或旋转粘度计在低温下所测得的动力粘度的习惯用语。在润滑油规格中，其单位以毫帕·秒（mPa·s）表示。内燃机油的低温动力粘度是多级内燃机油低温性能的重要指标。低温动力粘度越大，发动机在低温运转时的困难也越大，润滑油到达磨擦部位所需的时间也越长，磨擦时会出现短暂的干磨擦或半液体磨擦 而增加磨损。润滑油包括基础油（70N、150N、500N、150BS）、功能添加剂（柴油机油添加剂）、粘度指数改进剂（PIB聚异丁烯共聚物、OCP乙丙烯共聚物、HSD氢化苯乙烯双烯共聚物、PMA聚甲基丙烯酸酯）、降凝剂（聚a-烯烃、烷基萘、聚酯类）等材料。通过粘度指数改进剂、基础油、各类功能添加剂三者占比调合，在调合多级油时， 因为基础油本身的粘温性能不能同时满足多级油的高低温粘度要求， 必须加入粘度指数改进剂（VI剂）来改善油品的粘温性能，最终可以达到提高重型柴油车发动机低温启动性能的目的。
（2）技术优缺点分析
优点：改变润滑油低温动力粘度指标，一方面可以提高发动机起动转速，另一方面降低发动机最低起动转速，这对提高重型柴油车发动机低温启动性能都起到非常重要的作用。
缺点：由于润滑油的组成成分角度，想要改变润滑油低温动力粘度的指标操作起来具有一定的难度，成本较大，且若是各种基础油添加比重不合理会对柴油发动机造成一定损伤。
5 发展前景
目前而言，提升重型柴油车发动机低温启动性能，对于我国的柴油机领域有着显著作用，同时也能够增加重型柴油车在寒冷气候地区、冬季使用效果，减少柴油车发动机因低温而无法正常启动的情况。同时，使用低硫优质柴油及代用燃料，在一定程度上可以减少柴油机NOx的排放量与颗粒排放量，达到环境保护作用。目前，我国正大力研究提高重型柴油车发动机低温启动性能的技术，旨在提高经济效益的同时，达到环境保护目的。
6 结语
柴油机低温起动性能是重要的质量指标，柴油车只有低温起动性能得到改善后才能适于在寒冷地区使用，同时在极低温度下采取相关技术能够减少 发动机磨损，防止发生机械故障，延长发动机的使用寿命。
参考文献
[1] 郝旭，万继武，郑志刚，等.基于国三发动机的中轮拖低温启动试验分析[J].拖拉机与农用运输车，2017（2）：32-34.
[2]杜遥，周强，张芳.高原环境对电站启动性能的影响及对策[J].移动电源与车辆，2017（1）：35-38.
[3] 刘少明，李强，王波，等.柴油机低温启动困难机理探讨[J].移动电源与车辆，2016（4）：54-56.
[4] 张凯成，李舜酩，孙明杰.柴油机油底壳振动与噪声辐射仿真分析与优化[J].车用发动机，2018，238（05）：61-67.
[5] 龚亚航，向立明.发动机油底壳的仿真分析和优化设计[J].内燃机与配件，2018（17）：27-28.
[6] 郑光泰.发动机镁质油底壳开发振声特性研究及优化设计[D].浙江大学，2008.
[7] 柴油机进气空气快速加热器设计[J].牛星军.移动电源与车辆.2015（03）
[8] 牛星军.柴油机进气空气快速加热器设计[J].移动电源与车辆，2015（3）：5-6.
[9] 孟营.电控柴油机低温起动性能关键影响因素研究[D].天津大学，2016.
[10] 余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2009.
关键词 重型柴油機;低温起动;发动机启动
前言
在低温环境下的柴油机启动过程中，由于润滑剂粘度的增加，进入摩擦部件表面的润滑剂量减少，油压缓慢建立。考虑到低速拖动阶段冷启动的成功率和油压上升的缓慢率，由于上述综合原因，不可避免地会发生更多的半干摩擦或摩擦或是局部干摩擦现象。许多文献认为，在启动过程中和启动后的预热过程中，由摩擦引起的磨损率占发动机总磨损率的46-73%。 另外，不良的冷启动性能会增加电池和启动器的负担，并增加故障率。因此，优化发动机的冷启动性能也是维持发动机和附件正常运行的需要。
1 研究背景
目前，柴油机作为发动机设备的情况十分普遍，在国家经济水平逐渐提升，运输实现高速化的情况下，效率高的柴油机技术运用十分广泛。在国外，5t以上的载货机车全部实现柴油机化，同时一些小型车也在朝着柴油化的方向迅速发展。在这种趋势下，我国也没有停止步伐，正大力朝着这方面进行技术性改革，以东风、解放、重汽等为主的重型柴油车企业，都在加大对柴油发动机低温启动性能的研究。
温度是影响柴油机普及的一个主要因素;我国寒带性的气候有寒冷、寒温型，在东北三省、乌鲁木齐等地区属于寒冷型气候，最低温度能够达到零下50℃左右，其他寒带性气候地域平均最低气温也都达到零下30℃左右，在这些地区使用柴油发动机，其启动性能显得非常重要，所以以东风、解放、重汽等为主的重型柴油车企业，都越来越重视重型柴油车发动机低温启动的性能，旨在靠着方面的技术在行业领域占据主导地位。甚至有国外的重型柴油车公司，将对柴油车发动机低温启动性能的研究放在第一位，在这个研究前提下再去研究柴油机的其他各方面性能如使用周期、运行噪音、尾气排放等。由此可见，提高重型柴油车发动机低温启动性能十分重要。
2 国内外研究现状
柴油机的启动性能是评估其性能的重要指标之一。国内外已经进行了许多研究以改善其启动过程。 但是，早期研究仅集中于添加辅助设备以确保柴油发动机在低温下平稳启动。 直到近年来，随着排放标准的日益严格，以及测试手段和电子控制技术的广泛应用，许多大学科研机构和公司开始深入研究点火，燃烧过程及相关因素，以达到提高柴油发动机低温启动性能目的。在满足启动性能要求的前提下减少排放。
柴油的着火和燃烧主要取决于压缩后气缸的压力，温度，柴油属性和柴油输送特性。由于较低的初始壁温和气缸内的开始向后速度，传热损失和漏气损失增加，气缸内的压缩温度和压力远低于正常工作条件，并且在气缸内混合物的形成条件在冷却器的启动条件下气缸不良，这使点火和燃烧性能变差。影响柴油机冷启动性能的主要因素是环境温度，环境压力，反向阻力速度，燃油喷射参数，燃油特性，压缩比，燃烧室设计等。
3 柴油机低温启动困难分析
在低温情况下，柴油机是否能够正常启动取决于非常多的因素，但是最主要的三个因素如下，即柴油机低温发动三要素：
燃料的物理性质，即柴油的流动性，只有满足足够充分的柴油流动性，发动机在启动时才能够获取到充足燃料，才得以启动;
经过压缩后的发动机气缸内达到温度、压强条件，在在这种条件下，燃料更容易着火，发动机可以启动;
柴油机初启动时，要有一定转速，有利于形成混合气体，达到启动条件。
在温度极低的情况下，上诉3个条件都很难达到。由于外界气温低导致发动机装置温度也低，这种情况下发动机转速得不到快速提升，这就会造成燃料气态流失以及热量流失，出现实际压缩比减少、气缸内燃料温度低以及压强小、燃料混合气体难形成、燃料难点燃等现象;低温情况下液体流动缓慢，即发动机润滑油粘度大，发动机启动阻力增大，转速降低;在燃料方面，低温情况下的柴油容易产生油水分离现象，即底层柴油变得更加粘稠，甚至出现凝固现象，流动性极差，然后输送量达不到发动机需求，且粘稠状态下的柴油极难形成混合气体，导致燃料无法点燃，或是断续点火，此时进入发动机压缩仓的燃料依附于仓壁，导致油膜损坏，增加混合气体的流失，同时导致压缩仓内温度无法提升。上述所有的情况，都导致柴油发动机无法启动。
如果不采取一定的手段措施，低温情况下，要想柴油机正常运行十分困难，甚至是不可能实现的。因此，要想提高重型柴油车发动机低温启动性能，就必须要结合上述三要素，从重型柴油车发动机的预热装置、辅助启动装置、润滑油参数等几方面入手，研究其解决方案，达到提高重型柴油车发动机低温启动性能的目的。
4 提高重型柴油车发动机低温启动性能的技术研究
锁随着国家科学技术水平提升，加上相关技术人员多年来的研究，针对柴油发动机低温启动困难，现已研究出多种技术，每种技术均存在着一些优缺点，对于不同的重型柴油车型，每种技术也有着不同的兼容性。笔者就目前市面上以东风、解放、重汽等为主的重型柴油车企业使用的主流技术进行一定研究。
4.1 火焰进气预热技术
（1）技术原理
该技术主要内容是对柴油机加装火焰进气预热装置，火焰进气预热装置是通过火焰预热塞使柴油在进气管内燃烧，形成火焰加热进气的预热装置。该装置由预热塞、电磁阀、进油管、出油管、控制器、水温传感器等组成。该装置的预热塞有良好的点燃性与续燃性，可以很好地预热柴油机的进气，改善燃烧条件，使柴油机在-35℃的低温下起动，并可减少排气管冒白烟，降低污染。该装置的控制器采用微电脑控制技术，功能智能化，操作简单。它是一种先进的进气预热装置，广泛用于重型柴油机车、工程车、大型设备及移动电站。目前，在采用温暖蓄电池的条件下，中国东风EQB210-20系列使用火焰进气预热装置，可使HFF6840K57、HFF6841K57型大型客车发动机在- 34℃起动成功;解放车型AH3313、AH5310GSN8型车采用全自动火焰进气预热装置，使YC6A260-20型发动机在温度高于-25 ℃时可保证发动机起动成功;部分斯太尔系列柴油机在进气歧管处安装火焰预热装置，依靠进气管上的2个预热塞进行进气预热，可保证车辆在- 30 ℃以上正常启动。 （2）技术优缺点及局限性分析
优点：重型柴油车发动机加装火焰进气预热装置，在一定程度上可以解决柴油机低温启动难的问题，使用效果比较明显。
缺点：在低于-35℃的自然环境中，采取单塞就很难正常启动发动机，采取双塞（单塞加热功率已达330W）总加热功率可达660W左石。提高加热功率能够适当提高混合气体温度，但是对于发动机启动不明显;装置加装操作比较复杂，且操作不当带量损害大。
局限性：在高于-35℃的情况下发动机启动效果比较明显，但是在低于-35℃的自然环境中，无法达到预期效果。
4.2 PTC进气预热技术
（1）技术原理
该技术主要内容是对柴油机加装PTC进气预热装置，柴油机PTC进气预热装置组成部分包括PTC进气预热器、气门控制机构、预热时间控制器、预热启动保护开关组成。其使用机制就是在低温状态下提高空气温度使压缩空气在压缩状态下达到燃油燃烧所需要的温度。PTC柴油进气预热装置是由北京天启星公司生产的，东风汽车公司为提高柴油汽车在高寒地区冬季启动性能而在EQ1108G6D-501和EQ1141G2-550载货汽车上安装的新的装置。
（2）技术优缺点分析
优点：PTC预热进气装置由于比较简单，安装接線比较方便，且对柴油机本体结构不发生重大改变，柴油机在低温环境下启动效果较好;它与常用的火焰塞、电热塞相比，具有自动恒温，耗比低，可靠性高、寿命长、故障率低、热效率高，适用温度范围广、控制器声光显示等多项优点。
缺点：由于安装调整不规范，或操作不恰当，装置容易产生一些常见故障，如预热开关打开后指示灯不亮、预热时间超过5 min 时，指示灯不闪烁，蜂鸣器不响、打开电源开关或打开预热器开关时烧断易熔线等。
4.3 改变润滑油低温动力粘度指标
（1）技术原理
低温动力粘度指油品在规定条件下，采用毛细管粘度计或旋转粘度计在低温下所测得的动力粘度的习惯用语。在润滑油规格中，其单位以毫帕·秒（mPa·s）表示。内燃机油的低温动力粘度是多级内燃机油低温性能的重要指标。低温动力粘度越大，发动机在低温运转时的困难也越大，润滑油到达磨擦部位所需的时间也越长，磨擦时会出现短暂的干磨擦或半液体磨擦 而增加磨损。润滑油包括基础油（70N、150N、500N、150BS）、功能添加剂（柴油机油添加剂）、粘度指数改进剂（PIB聚异丁烯共聚物、OCP乙丙烯共聚物、HSD氢化苯乙烯双烯共聚物、PMA聚甲基丙烯酸酯）、降凝剂（聚a-烯烃、烷基萘、聚酯类）等材料。通过粘度指数改进剂、基础油、各类功能添加剂三者占比调合，在调合多级油时， 因为基础油本身的粘温性能不能同时满足多级油的高低温粘度要求， 必须加入粘度指数改进剂（VI剂）来改善油品的粘温性能，最终可以达到提高重型柴油车发动机低温启动性能的目的。
（2）技术优缺点分析
优点：改变润滑油低温动力粘度指标，一方面可以提高发动机起动转速，另一方面降低发动机最低起动转速，这对提高重型柴油车发动机低温启动性能都起到非常重要的作用。
缺点：由于润滑油的组成成分角度，想要改变润滑油低温动力粘度的指标操作起来具有一定的难度，成本较大，且若是各种基础油添加比重不合理会对柴油发动机造成一定损伤。
5 发展前景
目前而言，提升重型柴油车发动机低温启动性能，对于我国的柴油机领域有着显著作用，同时也能够增加重型柴油车在寒冷气候地区、冬季使用效果，减少柴油车发动机因低温而无法正常启动的情况。同时，使用低硫优质柴油及代用燃料，在一定程度上可以减少柴油机NOx的排放量与颗粒排放量，达到环境保护作用。目前，我国正大力研究提高重型柴油车发动机低温启动性能的技术，旨在提高经济效益的同时，达到环境保护目的。
6 结语
柴油机低温起动性能是重要的质量指标，柴油车只有低温起动性能得到改善后才能适于在寒冷地区使用，同时在极低温度下采取相关技术能够减少 发动机磨损，防止发生机械故障，延长发动机的使用寿命。
参考文献
[1] 郝旭，万继武，郑志刚，等.基于国三发动机的中轮拖低温启动试验分析[J].拖拉机与农用运输车，2017（2）：32-34.
[2]杜遥，周强，张芳.高原环境对电站启动性能的影响及对策[J].移动电源与车辆，2017（1）：35-38.
[3] 刘少明，李强，王波，等.柴油机低温启动困难机理探讨[J].移动电源与车辆，2016（4）：54-56.
[4] 张凯成，李舜酩，孙明杰.柴油机油底壳振动与噪声辐射仿真分析与优化[J].车用发动机，2018，238（05）：61-67.
[5] 龚亚航，向立明.发动机油底壳的仿真分析和优化设计[J].内燃机与配件，2018（17）：27-28.
[6] 郑光泰.发动机镁质油底壳开发振声特性研究及优化设计[D].浙江大学，2008.
[7] 柴油机进气空气快速加热器设计[J].牛星军.移动电源与车辆.2015（03）
[8] 牛星军.柴油机进气空气快速加热器设计[J].移动电源与车辆，2015（3）：5-6.
[9] 孟营.电控柴油机低温起动性能关键影响因素研究[D].天津大学，2016.
[10] 余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2009.