论文部分内容阅读
摘要：本文根据公司所在高纬度工作区域天气寒冷的实际情况，针对柴油机在冬季冷启动困难，长时间打火易造成起动机烧毁，蓄电池寿命缩短;急料运输时因车辆启动时间长耽误时间;气温骤降造成柴油凝结无法流动等问题进行分析，探索研究应对极低温度下冷启动困难的措施。
Abstract： According to the cold weather in the high latitude working area of our company， it is difficult for the diesel engine to start in cold winter， and it is easy to burn the starter and shorten the service life of the battery if it is ignited for a long time. During the transportation of urgent materials， the time is delayed due to the long starting time of vehicles. This paper analyzes the problems of diesel oil condensation and flow caused by sudden drop of temperature， and explores the measures to deal with the difficulty of cold start at extremely low temperature.
关键词：柴油;柴油机;低温;冷启动;雾化;预热;经济性
Key words： diesel oil;diesel engine;microtherm;cold-start;atomization;preheat;economy
中图分类号：TK429 文獻标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）20-0132-02
0 引言
中国石油集团川庆钻探工程有限公司重庆运输总公司某事业部主要工作区域涵盖陕甘宁蒙，该区域10月开始进入冬季后，最低气温将降至-20℃以下，必须根据实时气温加注-10～-35号柴油，否则车辆会因为柴油在柴油机的燃油系内凝结无法流动，导致柴油机无法正常启动，对车辆的正常运行和使用维护都造成了极大困难，也对公司的生产保障能力提出了挑战。
1 低温下柴油机启动困难的原因分析
①低温下蓄电池性能线性降低。一般来说蓄电池的最佳工作温度在10℃～40℃的范围内，严寒天气会导致蓄电池电解液的黏度增加，渗透能力下降，从而使内阻增大、容量和端电压下降，使起动机驱动扭矩降低，达不到最低起动转速，难以驱动柴油机着火运转。
②低温下柴油雾化质量变差。低温天气下，柴油的粘度和密度均增大，表面张力增加，根据相关数据测定，当环境温度从40℃降低到-10℃时，柴油粘度会提高83%，密度增大8%，这种变化会导致喷油器喷出的柴油不易雾化，由于柴油液滴颗粒大，易与冷的气缸壁、活塞顶接触形成更大颗粒的柴油液滴，使混合气浓度进一步降低，影响起动性能。
③低温下曲轴旋转阻力矩增大。随着温度降低，柴油机机油粘度增加，甚至凝结，流动性差，各摩擦副之间阻力加大，从而加大了曲轴的旋转阻力矩，使柴油机起动转速降低。
④柴油机气缸压缩终了时混合气温度达不到着火的最低温度。试验表明，当柴油机吸入的空气温度在-30℃以下时，压缩终点温度小于430℃，不能使喷入的柴油液滴着火燃烧。
2 目前采用的改善措施及效果
根据以上造成低温下柴油机启动困难的原因，目前事业部已经采取了以下几点措施来改善柴油机在低温下的起动特性。
①采用低温性能好的蓄电池。目前选用的万里6-QW-165免维护蓄电池，可在-40℃环境条件下正常工作。另外也可以给采用给蓄电池加装保温措施来降低电解质黏度，增加蓄电池的蓄电量。
②根据气温选择合适的柴油标号。不同标号的柴油理化指标不同，理论选用原则是柴油的凝点应该比环境温度低5℃左右为宜，长庆运输事业部一般规定在10月份气温降低时加注-10#柴油，根据气温下降幅度和时间逐步延伸到-20#和-35#柴油。
③选择低温性能可靠的润滑油。目前事业部在用的机油是昆仑天威CH-4 15W/40四季通用机油，环境温度范围-15℃～30℃，经过这两年的使用，基本能满足要求，低温下机油粘度增加不明显。另外在进入冬季前提前对车辆的防冻液冰点进行检测，冰点在-35℃以上的进行更换。
④安装进气预热装置。目前事业部除部分吊车外基本上所有车型都带有进气预热装置，主要是通过预热装置在发动机冷态启动前对吸入的空气进行加热，提高柴油机的起动性，即使在起动后，依据当时的冷却液温度，对空气继续加热一段时间，同时还可以减少柴油机爆震和冒白烟。
通过以上措施基本上能够有效改善事业部在陕甘宁蒙地区车辆的低温冷启动性能，但是这必须建立在柴油标号选择合适的前提条件下。通过近两年来事业部运行区域中石油加油站负号柴油配送的情况来看，除乌审旗地区因资阳油库在当地建立有加油站点可提前储备以外，其他地区负号柴油上架销售时间均滞后于气温下降的时间，部分地区，例如陇东中队在2017年和2018年都遭遇了负号柴油的油荒，导致车辆正常运行受到一定的影响。 3 提出问题
在低温下如何提高柴油机气缸压缩终了时混合气温度和柴油雾化质量，使其能达到着火点并正常起动？
压缩终了时混合气的温度由进气温度和进入气缸的柴油液滴温度决定，由于目前的车辆均能利用电加热装置预热进入气缸的空气，那么如果能提高进入气缸前柴油的温度，不仅能提高混合气温度，还能改善柴油雾化质量。
4 几种提高柴油温度的方式和优劣性对比
4.1 利用柴油机冷却液预热柴油
在一台柴油车上安装两个柴油箱，一个油箱盛装0#柴油，另外一个根据温度盛装负号柴油。低温启动时首先接通负号柴油的箱内的负号柴油来启动柴油机。在车辆正常运行后通过柴油机的冷却液循环给0#柴油箱加热，达到一定的温度后切换燃油供给系统开关，开启0#柴油箱，使用0#柴油正常工作。
优点：改动量小，但需要在0#柴油箱内安装盘管循环冷却液来加热柴油。
缺点：一是在车辆归队或者收车前，需要将燃油供给系切换到负号柴油箱并运转一段时间，以便管路内充满负号柴油，避免停车后管路内的0#柴油凝结造成堵塞，操作流程较繁琐，驾驶员因疏忽忘记切换时可能导致车辆第二天无法起动。二是在遇到车辆突发故障被动长时间停车时可能堵塞管路。三是由于冷却液工作温度大约在85℃～95℃之间，车辆正常运行时冷却液对0#柴油箱持续加热，无法控制温度，容易增加油耗且有安全隐患。
4.2 安装专门的液体燃油加热器
在车上安装专门的液体燃油加热器，使用12V～24V直流电源，由电动机、燃烧室、水套体、水泵等组成。电动机带动油泵、助燃风扇及雾化器转动，油泵吸入的燃油经输油管送到雾化器，雾化后与助燃风扇吸入的空气在主燃烧室内混合，被电热塞点燃，在后燃烧室内充分燃烧后折返，经水套内壁的散热片将热量传给水套夹层中的冷却液介质，被加热介质在水泵的作用下，在整个管路系统中循环，达到加热的目的。
优点：一是可以与发动机及强制散热器等辅助散热装置组成循环系统，也可以单独与散热器、除霜器等组成循环系统。二是可以通过冷却液同时加热柴油箱和发动机达到工作温度，且温度可控。三是允許车辆油箱加注低于当前环境温度推荐标号的柴油。
缺点：一是对车辆的管路改动较大。二是该加热器需要独立的且加注符合环境温度推荐标号的柴油。三是预热时间需要10～15分钟。
4.3 直接电热塞或加热管加热
使用车辆自带的蓄电池供电，在特制的油管内穿一根发热丝给柴油机进油管加热，配合使用棒式的加热器插进油箱内加热燃油，使燃油保持一定的温度。
优点：仅需要更换燃油供给系的部分管路，不改变原车结构，不破坏油箱整体封闭性。
缺点：一是发热丝与柴油直接接触，可能存在很大的风险，易导致油管老化，使用寿命短，耗电量大。二是随着柴油的消耗，油箱内的油液面不断下降，暴露的部分变大，无用功耗电散热加大，而浸泡在燃油液面下的部分加热变慢，燃油温度不稳定，进而使发动机工作不稳定，耗能多，而且燃油加热温度不可调控，易使燃油变异，对发动机有损，更不能进行恒温安全控制而造成耗油量增加。三是由于柴油滤芯无法通过该种方式加热必须拆除，可能因为柴油内的颗粒物造成喷油器堵塞等问题。
5 经济性预测
公司某事业部从10月中旬起，所作业区域逐步进入降温期，开始加注负号柴油，一般从11月上旬起开始加-35#柴油。-35#柴油与0#柴油的升价差约为1.2元，以25吨运输车为例，百公里空车油耗32升，重车百公里油耗39升，里程利用率取58%，若能够通过技术措施使车辆在冬季使用0#柴油也能正常运行，即每百公里燃料费可降低43.27元，专用车由于百公里油耗更高，费用降低将更加可观。即使不能完全用0#柴油来彻底取代-35#柴油，能够将当前环境温度推荐标号的柴油降低一个档次也将带来不小的技术创效。
6 实际试验结果
公司某事业部选择在2台相同车型的25吨四轴运输车上进行试验，其中一台安装了某品牌智能控制燃油加热器。在10月20日至12月10日进行了为期51天的试验，在此期间，安装了某品牌智能控制燃油加热器的1号车出勤43天，累计运行里程5345.26公里，实际消耗0#柴油1927.5升，未安装液体燃油加热器的2号车出勤38天，累计运行里程4213.85公里，累计消耗-35#柴油1643.4升。
考虑到以上2台试验车运行区域基本一致，投产时间相同，再剔除驾驶员操作习惯、装载货物等客观因素的影响，1号车平均每公里消耗0#柴油0.36升，2号车平均每公里消耗-35#柴油0.39升。
按照试验期间当地油价计算，2号车相对于1号车，每公里燃料成本增加约0.6元，即若能在确保安全的前提下，规范使用液体燃油加热器，节约燃料成本应该10%～15%，经济效益显著，但仍应该考虑该种形式的液体燃油加热器的安全性和可靠性。
7 结论及建议
当前，地方上的车辆通过各种手段来改善柴油机低温下冷启动性能，尝试使用0#或者低标号柴油替代高标号柴油的情况在陕甘宁蒙等高纬度地区已经非常普遍，因此，加强公司在这方面的研究，不管是从车辆的运行维护，还是从节能降耗、提高经济效益来说，我觉得很有必要。建议在充分调研，保证安全的前提下，利用较成熟的技术进行可靠性验证和效果评价试验。
参考文献：
[1]魏象仪.内燃机燃烧学[M].大连理工大学出版社，1992.
[2]莫玮，鄂加强，赵延明.严寒条件下车辆柴油机冷启动性能研究[J].内燃机过程，2002（5）：65-67.
[3]陈熙.冬季0号柴油替代-35号柴油的技术探讨[J].新疆石油科技，2012，22（1）：45-46.
Abstract： According to the cold weather in the high latitude working area of our company， it is difficult for the diesel engine to start in cold winter， and it is easy to burn the starter and shorten the service life of the battery if it is ignited for a long time. During the transportation of urgent materials， the time is delayed due to the long starting time of vehicles. This paper analyzes the problems of diesel oil condensation and flow caused by sudden drop of temperature， and explores the measures to deal with the difficulty of cold start at extremely low temperature.
关键词：柴油;柴油机;低温;冷启动;雾化;预热;经济性
Key words： diesel oil;diesel engine;microtherm;cold-start;atomization;preheat;economy
中图分类号：TK429 文獻标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）20-0132-02
0 引言
中国石油集团川庆钻探工程有限公司重庆运输总公司某事业部主要工作区域涵盖陕甘宁蒙，该区域10月开始进入冬季后，最低气温将降至-20℃以下，必须根据实时气温加注-10～-35号柴油，否则车辆会因为柴油在柴油机的燃油系内凝结无法流动，导致柴油机无法正常启动，对车辆的正常运行和使用维护都造成了极大困难，也对公司的生产保障能力提出了挑战。
1 低温下柴油机启动困难的原因分析
①低温下蓄电池性能线性降低。一般来说蓄电池的最佳工作温度在10℃～40℃的范围内，严寒天气会导致蓄电池电解液的黏度增加，渗透能力下降，从而使内阻增大、容量和端电压下降，使起动机驱动扭矩降低，达不到最低起动转速，难以驱动柴油机着火运转。
②低温下柴油雾化质量变差。低温天气下，柴油的粘度和密度均增大，表面张力增加，根据相关数据测定，当环境温度从40℃降低到-10℃时，柴油粘度会提高83%，密度增大8%，这种变化会导致喷油器喷出的柴油不易雾化，由于柴油液滴颗粒大，易与冷的气缸壁、活塞顶接触形成更大颗粒的柴油液滴，使混合气浓度进一步降低，影响起动性能。
③低温下曲轴旋转阻力矩增大。随着温度降低，柴油机机油粘度增加，甚至凝结，流动性差，各摩擦副之间阻力加大，从而加大了曲轴的旋转阻力矩，使柴油机起动转速降低。
④柴油机气缸压缩终了时混合气温度达不到着火的最低温度。试验表明，当柴油机吸入的空气温度在-30℃以下时，压缩终点温度小于430℃，不能使喷入的柴油液滴着火燃烧。
2 目前采用的改善措施及效果
根据以上造成低温下柴油机启动困难的原因，目前事业部已经采取了以下几点措施来改善柴油机在低温下的起动特性。
①采用低温性能好的蓄电池。目前选用的万里6-QW-165免维护蓄电池，可在-40℃环境条件下正常工作。另外也可以给采用给蓄电池加装保温措施来降低电解质黏度，增加蓄电池的蓄电量。
②根据气温选择合适的柴油标号。不同标号的柴油理化指标不同，理论选用原则是柴油的凝点应该比环境温度低5℃左右为宜，长庆运输事业部一般规定在10月份气温降低时加注-10#柴油，根据气温下降幅度和时间逐步延伸到-20#和-35#柴油。
③选择低温性能可靠的润滑油。目前事业部在用的机油是昆仑天威CH-4 15W/40四季通用机油，环境温度范围-15℃～30℃，经过这两年的使用，基本能满足要求，低温下机油粘度增加不明显。另外在进入冬季前提前对车辆的防冻液冰点进行检测，冰点在-35℃以上的进行更换。
④安装进气预热装置。目前事业部除部分吊车外基本上所有车型都带有进气预热装置，主要是通过预热装置在发动机冷态启动前对吸入的空气进行加热，提高柴油机的起动性，即使在起动后，依据当时的冷却液温度，对空气继续加热一段时间，同时还可以减少柴油机爆震和冒白烟。
通过以上措施基本上能够有效改善事业部在陕甘宁蒙地区车辆的低温冷启动性能，但是这必须建立在柴油标号选择合适的前提条件下。通过近两年来事业部运行区域中石油加油站负号柴油配送的情况来看，除乌审旗地区因资阳油库在当地建立有加油站点可提前储备以外，其他地区负号柴油上架销售时间均滞后于气温下降的时间，部分地区，例如陇东中队在2017年和2018年都遭遇了负号柴油的油荒，导致车辆正常运行受到一定的影响。 3 提出问题
在低温下如何提高柴油机气缸压缩终了时混合气温度和柴油雾化质量，使其能达到着火点并正常起动？
压缩终了时混合气的温度由进气温度和进入气缸的柴油液滴温度决定，由于目前的车辆均能利用电加热装置预热进入气缸的空气，那么如果能提高进入气缸前柴油的温度，不仅能提高混合气温度，还能改善柴油雾化质量。
4 几种提高柴油温度的方式和优劣性对比
4.1 利用柴油机冷却液预热柴油
在一台柴油车上安装两个柴油箱，一个油箱盛装0#柴油，另外一个根据温度盛装负号柴油。低温启动时首先接通负号柴油的箱内的负号柴油来启动柴油机。在车辆正常运行后通过柴油机的冷却液循环给0#柴油箱加热，达到一定的温度后切换燃油供给系统开关，开启0#柴油箱，使用0#柴油正常工作。
优点：改动量小，但需要在0#柴油箱内安装盘管循环冷却液来加热柴油。
缺点：一是在车辆归队或者收车前，需要将燃油供给系切换到负号柴油箱并运转一段时间，以便管路内充满负号柴油，避免停车后管路内的0#柴油凝结造成堵塞，操作流程较繁琐，驾驶员因疏忽忘记切换时可能导致车辆第二天无法起动。二是在遇到车辆突发故障被动长时间停车时可能堵塞管路。三是由于冷却液工作温度大约在85℃～95℃之间，车辆正常运行时冷却液对0#柴油箱持续加热，无法控制温度，容易增加油耗且有安全隐患。
4.2 安装专门的液体燃油加热器
在车上安装专门的液体燃油加热器，使用12V～24V直流电源，由电动机、燃烧室、水套体、水泵等组成。电动机带动油泵、助燃风扇及雾化器转动，油泵吸入的燃油经输油管送到雾化器，雾化后与助燃风扇吸入的空气在主燃烧室内混合，被电热塞点燃，在后燃烧室内充分燃烧后折返，经水套内壁的散热片将热量传给水套夹层中的冷却液介质，被加热介质在水泵的作用下，在整个管路系统中循环，达到加热的目的。
优点：一是可以与发动机及强制散热器等辅助散热装置组成循环系统，也可以单独与散热器、除霜器等组成循环系统。二是可以通过冷却液同时加热柴油箱和发动机达到工作温度，且温度可控。三是允許车辆油箱加注低于当前环境温度推荐标号的柴油。
缺点：一是对车辆的管路改动较大。二是该加热器需要独立的且加注符合环境温度推荐标号的柴油。三是预热时间需要10～15分钟。
4.3 直接电热塞或加热管加热
使用车辆自带的蓄电池供电，在特制的油管内穿一根发热丝给柴油机进油管加热，配合使用棒式的加热器插进油箱内加热燃油，使燃油保持一定的温度。
优点：仅需要更换燃油供给系的部分管路，不改变原车结构，不破坏油箱整体封闭性。
缺点：一是发热丝与柴油直接接触，可能存在很大的风险，易导致油管老化，使用寿命短，耗电量大。二是随着柴油的消耗，油箱内的油液面不断下降，暴露的部分变大，无用功耗电散热加大，而浸泡在燃油液面下的部分加热变慢，燃油温度不稳定，进而使发动机工作不稳定，耗能多，而且燃油加热温度不可调控，易使燃油变异，对发动机有损，更不能进行恒温安全控制而造成耗油量增加。三是由于柴油滤芯无法通过该种方式加热必须拆除，可能因为柴油内的颗粒物造成喷油器堵塞等问题。
5 经济性预测
公司某事业部从10月中旬起，所作业区域逐步进入降温期，开始加注负号柴油，一般从11月上旬起开始加-35#柴油。-35#柴油与0#柴油的升价差约为1.2元，以25吨运输车为例，百公里空车油耗32升，重车百公里油耗39升，里程利用率取58%，若能够通过技术措施使车辆在冬季使用0#柴油也能正常运行，即每百公里燃料费可降低43.27元，专用车由于百公里油耗更高，费用降低将更加可观。即使不能完全用0#柴油来彻底取代-35#柴油，能够将当前环境温度推荐标号的柴油降低一个档次也将带来不小的技术创效。
6 实际试验结果
公司某事业部选择在2台相同车型的25吨四轴运输车上进行试验，其中一台安装了某品牌智能控制燃油加热器。在10月20日至12月10日进行了为期51天的试验，在此期间，安装了某品牌智能控制燃油加热器的1号车出勤43天，累计运行里程5345.26公里，实际消耗0#柴油1927.5升，未安装液体燃油加热器的2号车出勤38天，累计运行里程4213.85公里，累计消耗-35#柴油1643.4升。
考虑到以上2台试验车运行区域基本一致，投产时间相同，再剔除驾驶员操作习惯、装载货物等客观因素的影响，1号车平均每公里消耗0#柴油0.36升，2号车平均每公里消耗-35#柴油0.39升。
按照试验期间当地油价计算，2号车相对于1号车，每公里燃料成本增加约0.6元，即若能在确保安全的前提下，规范使用液体燃油加热器，节约燃料成本应该10%～15%，经济效益显著，但仍应该考虑该种形式的液体燃油加热器的安全性和可靠性。
7 结论及建议
当前，地方上的车辆通过各种手段来改善柴油机低温下冷启动性能，尝试使用0#或者低标号柴油替代高标号柴油的情况在陕甘宁蒙等高纬度地区已经非常普遍，因此，加强公司在这方面的研究，不管是从车辆的运行维护，还是从节能降耗、提高经济效益来说，我觉得很有必要。建议在充分调研，保证安全的前提下，利用较成熟的技术进行可靠性验证和效果评价试验。
参考文献：
[1]魏象仪.内燃机燃烧学[M].大连理工大学出版社，1992.
[2]莫玮，鄂加强，赵延明.严寒条件下车辆柴油机冷启动性能研究[J].内燃机过程，2002（5）：65-67.
[3]陈熙.冬季0号柴油替代-35号柴油的技术探讨[J].新疆石油科技，2012，22（1）：45-46.