装载机用柴油机低温起动研究

朱松杰，宣飞龙

(一拖(洛阳)柴油机有限公司，河南洛阳 471039)

0 引言

装载机是一种具有较高作业效率的工程机械。主要用于对松散的堆积物料进行铲、装、运、挖等作业，也可以用来整理、刮平场地以及进行牵引作业；换装相应的工作装置后，还可以进行挖土、起重以及装卸物料等作业。广泛应用于城建、矿山、铁路、公路、水电、油田、国防以及机场建设等工程施工中，对加速工程进度、保证工程质量、改善劳动条件、提高工作效率以及降低施工成本等都具有极为重要的作用。

随着经济的发展，国家基建的增速很快，装载机作为一种用途极为广泛的工程机械，在基建项目中承担着重要的角色。装载机作业环境恶劣，作业工况复杂，即使在寒冷的冬季，作为施工机械、除雪机械、救援机械也经常得以应用。因此研究装载机在低温环境下的起动情况是十分必要的，而进气预热和冷却液预热作为常用的预热方式对提高柴油机的低温起动性能有显著的帮助。

1 技术路线

进气预热器和循环冷却液预热器是柴油机常用的低温起动辅助装备，二者主要用于提高初始进气温度，有利于燃油的蒸发与雾化，满足压缩终了的缸内温度，从而保证柴油机的顺利起动。

本研究对50装载机配套的某6X高压共轨柴油机分别采用进气预热和冷却液预热后的低温起动性能进行了应用研究。通过对柴油机预热器进行理论计算、参数设计、性能测试及优化等，有效地提高了柴油机在低温环境下的起动性能。

1.1 进气预热器原理

格栅式进气预热器及其工作原理图如图1和图2所示。

图1 格栅进气预热器示意图

高压共轨机型的进气预热器工作原理是传感器将采集到的冷却液温度、着火信号、ST等信号传输到ECU(engine control unit)，ECU根据逻辑判断是否需要开启进气预热系统。图2为进气预热系统的工作原理。

图2 高压共轨机型进气预热器线路示意图

1.2 柴油机起动理论所需加热量计算

柴油机进气所需加热量的理论计算如下：

1)压缩始点温度

(1)[1]

式中，T0为压缩始点温度，单位：K；T1为压缩终点温度，单位：K；n1为平均多变压缩指数，增压柴油机n1=1.35～1.37[1]；εc为有效压缩比。

2)进气系统温度

Td=273.15+k(T0-273.15)

(1)[2]

式中，Td为进气系统温度，单位：K；k为热利用指数，一般取经验值1.5～2。

3)柴油机进气量

(3)[3]

式中，m1为柴油机进气量，单位为kg；φc为充量系数，一般取φc=0.75；pd为气缸进气压力，单位为kPa；Vs为气缸工作容积，单位为L；i为气缸数；n为转速，单位为r/min；R为空气气体常数，R=8.314 5 J/(mol·K)；δs为柴油机扫气系数，取δs=1，起动时增压器不工作；t为起动时间，单位为s。

4)柴油机起动所需加热量

Q=Cpm1(Td-Ta)

(4)[4]

式中，Q为起动所需加热量，单位：kJ；Cp为定压比热容，温度为-10℃～20℃时，Cp=1.009 kJ/(kg·K)，温度为-21℃～-50℃时Cp=1.013 kJ/(kg·K)；Ta为环境温度，单位：K。

根据公式(1)～(4)，计算出不同环境温度下的进气所需的加热量，如表1所示。

表1 不同环境温度下6X柴油机起动时所需进气加热量

从表中可以看出，随着温度的下降，进气所需的热量升高。

1.3 进气预热器选配

根据理论计算分析，选型PTC格栅式进气预热器进行匹配，设计工作参数为：2 kW/24 V/83 A。

格栅式预热器属于纯电阻发热，因此可根据不同温度下的预热时间，按下式(5)计算其发热量：

Q=Pt

(5)

式中，Q为发热量，单位：kJ；P为预热器功率，单位：kW；t为预热时间，单位：s。计算结果如表2所示。

表2 不同环境温度下预热器实际放热量

从表2的数据可知，预热器放热量余量较大，能够满足50装载机用6X柴油机低温起动时所需要的进气加热量。而在实际低温环境下，当柴油机起动时，由于作业环境较为空旷，低温环境所蕴含的热容量很大，实际预热产生的热量并没有全部用来加热空气，会有部分热量传递给进气系统各零部件。此外，由于低温环境下蓄电池的持续拖动能力有限，需要柴油机在几秒内起动成功，所以需要预热器的放热量尽可能全部用来加热空气介质。以上理论设计的预热器需要经过设计的低温起动试验来验证。

2 起动试验

2.1 进气预热器低温起动试验

分别在0℃/-10℃/-20℃/-25℃环境下，进行预热器低温起动试验，试验结果如表3所示。

表3 不同环境温度下柴油机起动情况

图3试验结果为-20℃环境下，50装载机使用2 kW预热器，预热时间30 s左右，拖动3.6 s，一次起动成功。图4试验结果为-30℃环境下，50装载机使用2 kW预热器，预热时间40 s左右，拖动7 s，无法自行稳定运转，起动失败。

图3 起动成功

图4 起动失败

根据上述分析和低温起动试验结果，在-30℃及更低环境下，起动50装载机用柴油机时，需要进一步提高进气系统的加热量。低温起动时，温度越低，摩擦阻力越大，所需要的蓄电池放电电流越大。进气预热器需要蓄电池放电进行加热，提高预热时间或放电电流，会降低蓄电池在后续起动过程中的放电能力，导致拖动转速过低，柴油机难以起动。

因此，针对-30℃及更低环境下的装载机用柴油机的起动，可以采用冷却液预热来间接加热进气充量。柴油机缸体内的冷却液被加热后，通过缸套加热缸内的进气充量和混合气，从而提高柴油机压缩终点的温度，使柴油机顺利启动。

2.2 冷却液预热装置试验

本研究中采用了目前市面上常用的220 V/3 kW的冷却液预热装置，预热温度报警值设定为25℃，当缸体内的冷却液温度超过此值时，温控开关断电；当缸体内的冷却液温度低于20℃时，重新开始预热。本研究针对6X系列柴油机配套的50装载机，在东北黑河进行了冷却液加热试验。实地环境下冷却液预热的温升数据和曲线见表4和图5。

表4 冷却液预热温升数据

图5 -25℃和-33℃环境下冷却液温升曲线

由于冷却液的热容量相对较大，此处进气终点温度取近似等同于加热后的冷却液温度。采用冷却液预热后，在-33℃环境下，加热时间为40 min时，冷却液温度提高到22℃，明显有利于低温起动。

在-33℃环境下，使用冷却液预热系统，在黑河试验基地，对某公司50装载机进行了低温起动试验。起动试验情况见表5。

表5 冷却液预热低温起动试验验证

3 结论

通过以上起动试验结果分析可以得出以下结论：

(1)当环境温度在-25℃以上时，50装载机用柴油机采用进气预热配置，可以满足低温环境下顺利起动的需求。市场上常用的进气预热价格在70～200元，安装方便，成本较低。

(2)当环境温度为-35℃～-25℃时，50装载机用柴油机采用冷却液预热配置，可以满足在温度更低的环境下顺利起动的性能要求，起动效果较好。目前市场上销售的成套冷却液预热装置价格约在100～150元/套，安装简单，价格适中。