卡車車輛在極寒環(huán)境下無法起動(dòng)原因分析與對(duì)策

王殿偉，王樹城，裴艷紅，張敬貴，史孝杰

（1.100000 北京市 北汽福田汽車股份有限公司 北京配件銷售分公司；2.250100 山東省 濟(jì)南市 山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院；3.262500 山東省 濰坊市 青州邵莊鎮(zhèn)綜合文化服務(wù)中心；4.100000 北京市 北京福田汽車股份有限公司 工程研究總院）

0 引言

中國北方地區(qū)冬季遭遇低溫天氣時(shí)，氣溫長時(shí)間維持在-35 ℃以下，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)難以啟動(dòng)，車輛無法正常行駛[1-2]。部分用戶反饋車輛在停駛4 h以上時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)無法起動(dòng)，用傳統(tǒng)火烤油底殼方式易造成發(fā)動(dòng)機(jī)配裝的塑料油底殼被烤裂、泄露機(jī)油的問題；部分車輛發(fā)現(xiàn)燃油粗濾器凍裂和燃油管堵塞問題。孟宵等[3]進(jìn)行了東風(fēng)柴油機(jī)的低溫冷起動(dòng)試驗(yàn)，0W/30 CF-4 柴油機(jī)油能保證發(fā)動(dòng)機(jī)在-40 ℃正常起動(dòng)；Shi 等[4]研究了不同進(jìn)氣加溫方式對(duì)柴油機(jī)低溫起動(dòng)的影響，發(fā)現(xiàn)采用主動(dòng)式進(jìn)氣預(yù)熱裝置能夠取得最佳的性能。Fang 等[5]通過進(jìn)氣火焰預(yù)熱可以提高汽車柴油機(jī)的起動(dòng)成功率。另外，采用暖風(fēng)加熱機(jī)體可減少摩擦損失，進(jìn)而提高卡車起動(dòng)成功率。本文以GTL 超能版車型為例，分析故障和車輛使用情況，提出了適應(yīng)性改善優(yōu)化方案并設(shè)計(jì)了柴油及潤滑油預(yù)熱裝置。

1 卡車車輛在極寒環(huán)境下無法起動(dòng)原因分析

1.1 用戶使用情況分析

通過對(duì)用戶使用情況進(jìn)行調(diào)研，使用-35 ℃的油品的為60%，有40%的用戶使用的油品不能適應(yīng)低溫，只能通過額外加熱的方法起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。用戶幾乎全部加注15W-40 四季機(jī)油，部分用戶甚至加50 機(jī)油，而非10W-30 的冬季機(jī)油，原因是擔(dān)心機(jī)油過稀，油膜建立不夠或機(jī)油壓力不足，長期頻繁起動(dòng)，造成發(fā)動(dòng)機(jī)早期磨損。用戶特別擔(dān)心10W-30 冬季機(jī)油在大負(fù)荷運(yùn)行、高溫環(huán)境起動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)超過30 萬km 后配合間隙變大時(shí)的潤滑效果是否良好。由于普遍認(rèn)為冬季油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)有損害[6]，較少人嘗試加注5W-10 超低溫機(jī)油，用戶通常認(rèn)為加熱油底殼提高機(jī)油溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)更好，可減少異常磨損。

1.2 卡車自身情況分析

影響發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的因素主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油、變速箱齒輪油、燃油及燃油濾清系統(tǒng)、電瓶、進(jìn)氣預(yù)熱等[7]。

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油：包括發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油凍實(shí)，油底殼是否可以烤以及防凍液溫度。冷卻液的溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)磨損影響巨大，同樣，環(huán)境溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑影響也很大，讓發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑溫度在最佳范圍，能有效提高潤滑效果。實(shí)驗(yàn)證明，發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油溫度在20～30 ℃時(shí)，潤滑效果最佳，如圖1所示。可見，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油溫度的上升，起動(dòng)系統(tǒng)輸出功率也隨之增大。低溫環(huán)境下，潤滑油溫度每變化1 ℃，對(duì)冷起動(dòng)性能產(chǎn)生顯著影響。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油溫度與起動(dòng)系統(tǒng)輸出功率之間的關(guān)系Fig.1 Relationship between engine lubricating oil temperature and starting system output power

防凍液加熱的目的是建立駕駛室暖風(fēng)和提高整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體溫度。特別是ISG 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油冷卻模塊的機(jī)油存儲(chǔ)量，若機(jī)油足夠滿足啟動(dòng)潤滑，防凍液加熱缸體時(shí)已經(jīng)把這部分機(jī)油加熱，起到避免發(fā)動(dòng)機(jī)異常磨損的作用。油底殼設(shè)計(jì)增加防凍液循環(huán)水水道，用于加熱油底殼機(jī)油，但需要注意循環(huán)水加熱機(jī)油對(duì)機(jī)油品質(zhì)是否有影響。

（2）變速箱齒輪油：包括變速箱油是否凍實(shí)、氣路密封性是否良好以及離合器助力泵油是否凍實(shí)。即使在空擋情況下啟動(dòng)車輛，理論上除輸出軸2 軸外，變速箱1 軸、中間軸等齒輪仍然會(huì)與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)。啟動(dòng)整車時(shí)，踏下離合器片可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能，減少對(duì)起動(dòng)機(jī)和電瓶甚至變速箱的損耗。

（3）燃油及燃油濾清系統(tǒng)：燃油是否結(jié)蠟，濾清系統(tǒng)燃油阻力是否增大或者堵塞，燃油系統(tǒng)加熱能力是否能夠保證濾清系統(tǒng)不被凍實(shí)。目前呼倫貝爾燃油均為-35 ℃低溫燃油，燃油結(jié)蠟會(huì)堵塞燃油管和濾清器。一部分ISG 發(fā)動(dòng)機(jī)粗濾較細(xì)，過濾能力低，柴油低溫時(shí)即使低溫標(biāo)號(hào)燃油流動(dòng)性也會(huì)變差，造成燃油供應(yīng)不足，影響發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性。

（4）電瓶：電瓶性能是否正常和電量是否足夠。GTL 超能版車型原電瓶為180A 或195A，現(xiàn)已全部切換為與ETX 車系一致的165A，表現(xiàn)為電瓶容量偏小，影響起動(dòng)性能；另外電瓶質(zhì)量差，無法達(dá)到市面上同型號(hào)電瓶性能而影響卡車啟動(dòng)。

（5）進(jìn)氣預(yù)熱：預(yù)熱能力是否足夠。目前福田戴姆勒和福田康明斯聯(lián)在黑龍江黑河做ISG 超能動(dòng)力低溫起動(dòng)性能試驗(yàn)，使用10W-30 機(jī)油，變速箱使用耐低溫齒輪油（保證不凍結(jié)）情況下，-30 ℃時(shí)無需輔助加熱能夠正常起動(dòng)。

2 解決方案

2.1 適應(yīng)性改善優(yōu)化方案

2.1.1 對(duì)庫存已售車輛進(jìn)行維修改進(jìn)

（1）更換燃油進(jìn)油管直徑為16 mm，避免太細(xì)容易結(jié)蠟，影響進(jìn)油量；（2）更換15W-40 四季潤滑油為10W-30 冬季潤滑油，并培訓(xùn)承諾客戶ISG 發(fā)動(dòng)機(jī)使用10W-30 冬季潤滑油，一年四季、南方北方都能夠滿足潤滑要求；（3）增加一級(jí)水寒寶，即增加一級(jí)具備過濾水和電動(dòng)泵油功能的粗濾。方案（1）和方案（2）基本能夠保證無需輔助加熱情況下，-35 ℃以內(nèi)能夠正常啟動(dòng)，加之部分客戶會(huì)改裝增加小鍋爐加熱循環(huán)水，進(jìn)一步提高啟動(dòng)能力。

2.1.2 對(duì)新下線車輛的處理方案

（1）更換燃油進(jìn)油管直徑為16 mm；（2）長城以北運(yùn)行車輛將15W-40 四季潤滑油更換為10W-30 冬季潤滑油；（3）在保證10 萬km 保養(yǎng)周期前提下，優(yōu)化ISG 發(fā)動(dòng)機(jī)燃油粗濾性能和功能，增加電動(dòng)泵、濾清系統(tǒng)底部整體加熱功能；（4）試驗(yàn)性增加獨(dú)立離合器分離專用儲(chǔ)氣筒；（5）提高電瓶性能（提高165A 電瓶質(zhì)量性能或者寒區(qū)提高電瓶型號(hào)為180A）；（6）替換金屬油底殼，客戶可以適當(dāng)利用噴燈，避免客戶因低溫強(qiáng)制起動(dòng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成損害，打消客戶顧慮。

2.2 加裝柴油及潤滑油預(yù)熱裝置

柴油車油液預(yù)熱系統(tǒng)，利用熱交換系統(tǒng)排出的高溫氣體（約350 ℃）對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油底殼進(jìn)行加熱，最大限度提高潤滑油溫度，通過獨(dú)創(chuàng)的引風(fēng)裝置有效利用熱量，解決因潤滑油溫度低對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成的負(fù)面影響，讓發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳溫度、最佳潤滑條件下工作，以達(dá)到最好的經(jīng)濟(jì)性。以錫柴CA6DL2，257.4 kW 發(fā)動(dòng)機(jī)為例，該系統(tǒng)預(yù)熱發(fā)動(dòng)機(jī)小循環(huán)冷卻液24 L，潤滑油油道內(nèi)4 L，油底殼存油20 L，并將發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃油0.2 L 同時(shí)預(yù)熱，綜合預(yù)熱效果十分明顯，讓發(fā)動(dòng)機(jī)始終處于最佳工作狀態(tài)下啟動(dòng)。

在保證柴油機(jī)正常工作的前提下，為了減少該項(xiàng)損失提高燃油經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)盡量提高冷卻液的溫度，并讓潤滑油溫度保持在20～30 ℃。以“壓燃”為點(diǎn)火方式的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)決定了氣缸壁與活塞環(huán)的配合間隙是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的核心技術(shù)之一，為了使發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率最大化，通常以冷卻液最高溫度區(qū)間80～95 ℃作為發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸配合間隙的設(shè)計(jì)溫度。因氣缸壁與活塞環(huán)的配合間隙非常?。ㄍǔ榻z微米級(jí)），易受環(huán)境溫度變化影響。車輛啟動(dòng)時(shí)冷卻液溫度與大氣溫度（-40～40 ℃）基本相同，在環(huán)境溫度低于-40 ℃的情況下，配合間隙變小，磨損加劇，所以啟動(dòng)時(shí)磨損非常嚴(yán)重，即使發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)升溫時(shí)間很短，但發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損卻占總量的50%左右，環(huán)境溫度越低起動(dòng)磨損越大。

為更有效地利用熱量，車輛加裝該系統(tǒng)以近發(fā)動(dòng)機(jī)為原則，同時(shí)根據(jù)不同車型推出最佳安裝位置（近發(fā)動(dòng)機(jī)水路，近發(fā)動(dòng)機(jī)油底），電源取自車載電瓶，安裝步驟：

（1）選擇預(yù)熱系統(tǒng)安裝位置及安裝固定臺(tái)架。預(yù)熱系統(tǒng)須安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)附近，避開旋轉(zhuǎn)、運(yùn)動(dòng)及不耐熱部件，且不妨礙車輛日常保養(yǎng)與檢修；與發(fā)動(dòng)機(jī)及其他熱源的距離不小于10 cm，且不能高于發(fā)動(dòng)機(jī)，也不能置于車底盤之下。

（2）判斷原車水路循環(huán)方向及連接循環(huán)管路。首先將發(fā)動(dòng)機(jī)回水管與預(yù)熱系統(tǒng)出水口連接，再將暖風(fēng)回水管與預(yù)熱系統(tǒng)水泵進(jìn)水口連接。循環(huán)管路連接并固定，避開高溫和易摩擦處，整體管路需預(yù)防擠壓、割破，避免出現(xiàn)水路不通暢、滲漏等現(xiàn)象。

（3）油路安裝。在油箱上端蓋處選取適當(dāng)位置，開Φ8 mm 的圓孔，將油箱立桿與油箱固定，另一端與柴油機(jī)油液預(yù)熱系統(tǒng)固定，并確保油管下端和油箱底部的距離為20 mm 左右，并將立桿調(diào)整到不影響浮子運(yùn)動(dòng)為佳。

（4）電路的2 種連接方式：將預(yù)熱系統(tǒng)開關(guān)板安裝在駕駛室控制臺(tái)面，連接方式如圖2 所示。電路連接完成應(yīng)理順線束并固定，禁止用鐵絲捆綁，避開運(yùn)轉(zhuǎn)和高溫部件，嚴(yán)禁線束外表損壞和短路。

圖2 2 種油液預(yù)熱系統(tǒng)電源線連接示意圖Fig.2 Power line connection schematic of two kinds of oil preheating system

（5）預(yù)熱系統(tǒng)的安裝。因潤滑油油底殼引風(fēng)預(yù)熱系統(tǒng)在工作時(shí)溫度較高，所以安裝時(shí)應(yīng)注意遠(yuǎn)離易燃及不耐熱部件（如原車線束、塑料護(hù)板等）。安裝位置必須高于汽車底盤。把預(yù)熱系統(tǒng)的出氣口與油底殼引風(fēng)預(yù)熱裝置固定牢固，依次固定至發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼的底部。

（6）初裝調(diào)試。啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，排出水路中的氣體，查看附加管路有無泄漏現(xiàn)象，檢查防凍液是否缺少，如缺少須添加至標(biāo)準(zhǔn)量，啟動(dòng)柴油車油液預(yù)熱系統(tǒng)。

實(shí)驗(yàn)證明：低溫啟動(dòng)時(shí)，起動(dòng)機(jī)消耗的電流很大，為常溫起動(dòng)的6～10 倍，溫度越低，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)所需的瞬間電流越大，啟動(dòng)時(shí)間越長對(duì)電瓶的損壞越大。

3 改進(jìn)后的優(yōu)勢(shì)

車輛完成改裝后普遍反饋比改裝前啟動(dòng)性能提高，同時(shí)其他方面也有顯著改善。本套柴油車油液預(yù)熱系統(tǒng)是四季適用的預(yù)防性維護(hù)產(chǎn)品，有較強(qiáng)的實(shí)用性。以257.4 kW 柴油車安裝本系統(tǒng)后實(shí)驗(yàn)，每天啟動(dòng)該系統(tǒng)2 次，行駛300 km，按300 d 行駛90 000 km 測(cè)算，最低節(jié)油6.25%，即2 250 L 以上，經(jīng)濟(jì)節(jié)油近2 萬元。由于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)各部件在最佳溫度下工作，進(jìn)而大大減小了各部件之間的磨損，保持車輛在最佳狀態(tài)下工作，意味著大幅減少維修次數(shù)和時(shí)間，同時(shí)降低起動(dòng)電流和起動(dòng)阻力，成倍提高電瓶和起動(dòng)機(jī)的使用壽命。

本系統(tǒng)除具冬季冷啟動(dòng)功能外，還有其他方面作用：（1）保護(hù)起動(dòng)機(jī)。使用該系統(tǒng)后發(fā)動(dòng)機(jī)在熱車狀態(tài)下啟動(dòng)，起動(dòng)機(jī)工作時(shí)間大大縮短，起動(dòng)電流顯著降低，因此起動(dòng)機(jī)使用壽命成倍增加；（2）冬季起動(dòng)方便快捷。我國北方地區(qū)冬季十分寒冷，極限溫度在-40 ℃左右，加裝預(yù)熱系統(tǒng)后，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)前溫度遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度，便于啟動(dòng)；（3）駕駛室供暖。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液在該系統(tǒng)中循環(huán)加熱，溫度上升到80 ℃，車內(nèi)暖風(fēng)打開后便有較高的初始溫度，可為駕駛員提供良好的工作環(huán)境溫度。中途因故停車時(shí)無需啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，只需起動(dòng)該系統(tǒng)即可取暖，從而節(jié)省燃油；（4）環(huán)保。發(fā)動(dòng)機(jī)低溫啟動(dòng)時(shí)，燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象十分明顯，15 ℃時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)始終處于失火狀態(tài)；20 ℃時(shí)，著火點(diǎn)均出現(xiàn)在 7 °CA ATDC 之后，缸內(nèi)最高燃燒壓力較低；40 ℃和60 ℃時(shí)著火點(diǎn)小于4.5 °CA ATDC；80 ℃以后，各循環(huán)最高燃燒壓力、前后缸壓曲線變化更加平穩(wěn)，著火點(diǎn)提前至3 °CA ATDC。使用該系統(tǒng)之后，能夠?qū)l(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)產(chǎn)生的CO、碳?xì)浠衔?、NOX等排放降低67%。

4 結(jié)語

鑒于北方地區(qū)的氣候和用戶的特殊性，應(yīng)在產(chǎn)品開發(fā)上提高適應(yīng)高寒地區(qū)的特性，滿足客戶只需提前打開預(yù)熱獨(dú)立熱源20 min 左右，無需任何多余動(dòng)作，上車即可與常溫時(shí)一樣一次起動(dòng)。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，一方面提出適應(yīng)性改善優(yōu)化方案，如更換更粗燃油進(jìn)油管，換裝冬季潤滑油；另一方面設(shè)計(jì)了柴油及潤滑油預(yù)熱裝置，用于車輛冬季冷啟動(dòng)，不僅保護(hù)了起動(dòng)機(jī)，給駕駛室供暖，還能夠減少CO、碳?xì)浠衔?、NOX等污染物的排放。