卡车车辆在极寒环境下无法起动原因分析与对策

王殿伟，王树城，裴艳红，张敬贵，史孝杰

（1.100000 北京市 北汽福田汽车股份有限公司 北京配件销售分公司；2.250100 山东省 济南市 山东省农业机械科学研究院；3.262500 山东省 潍坊市 青州邵庄镇综合文化服务中心；4.100000 北京市 北京福田汽车股份有限公司 工程研究总院）

0 引言

中国北方地区冬季遭遇低温天气时，气温长时间维持在-35 ℃以下，导致发动机难以启动，车辆无法正常行驶[1-2]。部分用户反馈车辆在停驶4 h以上时发动机无法起动，用传统火烤油底壳方式易造成发动机配装的塑料油底壳被烤裂、泄露机油的问题；部分车辆发现燃油粗滤器冻裂和燃油管堵塞问题。孟宵等[3]进行了东风柴油机的低温冷起动试验，0W/30 CF-4 柴油机油能保证发动机在-40 ℃正常起动；Shi 等[4]研究了不同进气加温方式对柴油机低温起动的影响，发现采用主动式进气预热装置能够取得最佳的性能。Fang 等[5]通过进气火焰预热可以提高汽车柴油机的起动成功率。另外，采用暖风加热机体可减少摩擦损失，进而提高卡车起动成功率。本文以GTL 超能版车型为例，分析故障和车辆使用情况，提出了适应性改善优化方案并设计了柴油及润滑油预热装置。

1 卡车车辆在极寒环境下无法起动原因分析

1.1 用户使用情况分析

通过对用户使用情况进行调研，使用-35 ℃的油品的为60%，有40%的用户使用的油品不能适应低温，只能通过额外加热的方法起动发动机。用户几乎全部加注15W-40 四季机油，部分用户甚至加50 机油，而非10W-30 的冬季机油，原因是担心机油过稀，油膜建立不够或机油压力不足，长期频繁起动，造成发动机早期磨损。用户特别担心10W-30 冬季机油在大负荷运行、高温环境起动、发动机超过30 万km 后配合间隙变大时的润滑效果是否良好。由于普遍认为冬季油对发动机有损害[6]，较少人尝试加注5W-10 超低温机油，用户通常认为加热油底壳提高机油温度对发动机更好，可减少异常磨损。

1.2 卡车自身情况分析

影响发动机启动的因素主要包括发动机润滑油、变速箱齿轮油、燃油及燃油滤清系统、电瓶、进气预热等[7]。

（1）发动机润滑油：包括发动机润滑油冻实，油底壳是否可以烤以及防冻液温度。冷却液的温度对发动机磨损影响巨大，同样，环境温度对发动机润滑影响也很大，让发动机润滑温度在最佳范围，能有效提高润滑效果。实验证明，发动机润滑油温度在20～30 ℃时，润滑效果最佳，如图1所示。可见，随着发动机润滑油温度的上升，起动系统输出功率也随之增大。低温环境下，润滑油温度每变化1 ℃，对冷起动性能产生显著影响。

图1 发动机润滑油温度与起动系统输出功率之间的关系Fig.1 Relationship between engine lubricating oil temperature and starting system output power

防冻液加热的目的是建立驾驶室暖风和提高整个发动机机体温度。特别是ISG 发动机机油冷却模块的机油存储量，若机油足够满足启动润滑，防冻液加热缸体时已经把这部分机油加热，起到避免发动机异常磨损的作用。油底壳设计增加防冻液循环水水道，用于加热油底壳机油，但需要注意循环水加热机油对机油品质是否有影响。

（2）变速箱齿轮油：包括变速箱油是否冻实、气路密封性是否良好以及离合器助力泵油是否冻实。即使在空挡情况下启动车辆，理论上除输出轴2 轴外，变速箱1 轴、中间轴等齿轮仍然会与发动机输出轴一起转动。启动整车时，踏下离合器片可以提高发动机起动性能，减少对起动机和电瓶甚至变速箱的损耗。

（3）燃油及燃油滤清系统：燃油是否结蜡，滤清系统燃油阻力是否增大或者堵塞，燃油系统加热能力是否能够保证滤清系统不被冻实。目前呼伦贝尔燃油均为-35 ℃低温燃油，燃油结蜡会堵塞燃油管和滤清器。一部分ISG 发动机粗滤较细，过滤能力低，柴油低温时即使低温标号燃油流动性也会变差，造成燃油供应不足，影响发动机动力性。

（4）电瓶：电瓶性能是否正常和电量是否足够。GTL 超能版车型原电瓶为180A 或195A，现已全部切换为与ETX 车系一致的165A，表现为电瓶容量偏小，影响起动性能；另外电瓶质量差，无法达到市面上同型号电瓶性能而影响卡车启动。

（5）进气预热：预热能力是否足够。目前福田戴姆勒和福田康明斯联在黑龙江黑河做ISG 超能动力低温起动性能试验，使用10W-30 机油，变速箱使用耐低温齿轮油（保证不冻结）情况下，-30 ℃时无需辅助加热能够正常起动。

2 解决方案

2.1 适应性改善优化方案

2.1.1 对库存已售车辆进行维修改进

（1）更换燃油进油管直径为16 mm，避免太细容易结蜡，影响进油量；（2）更换15W-40 四季润滑油为10W-30 冬季润滑油，并培训承诺客户ISG 发动机使用10W-30 冬季润滑油，一年四季、南方北方都能够满足润滑要求；（3）增加一级水寒宝，即增加一级具备过滤水和电动泵油功能的粗滤。方案（1）和方案（2）基本能够保证无需辅助加热情况下，-35 ℃以内能够正常启动，加之部分客户会改装增加小锅炉加热循环水，进一步提高启动能力。

2.1.2 对新下线车辆的处理方案

（1）更换燃油进油管直径为16 mm；（2）长城以北运行车辆将15W-40 四季润滑油更换为10W-30 冬季润滑油；（3）在保证10 万km 保养周期前提下，优化ISG 发动机燃油粗滤性能和功能，增加电动泵、滤清系统底部整体加热功能；（4）试验性增加独立离合器分离专用储气筒；（5）提高电瓶性能（提高165A 电瓶质量性能或者寒区提高电瓶型号为180A）；（6）替换金属油底壳，客户可以适当利用喷灯，避免客户因低温强制起动对发动机造成损害，打消客户顾虑。

2.2 加装柴油及润滑油预热装置

柴油车油液预热系统，利用热交换系统排出的高温气体（约350 ℃）对发动机润滑油底壳进行加热，最大限度提高润滑油温度，通过独创的引风装置有效利用热量，解决因润滑油温度低对发动机造成的负面影响，让发动机在最佳温度、最佳润滑条件下工作，以达到最好的经济性。以锡柴CA6DL2，257.4 kW 发动机为例，该系统预热发动机小循环冷却液24 L，润滑油油道内4 L，油底壳存油20 L，并将发动机内燃油0.2 L 同时预热，综合预热效果十分明显，让发动机始终处于最佳工作状态下启动。

在保证柴油机正常工作的前提下，为了减少该项损失提高燃油经济性，应尽量提高冷却液的温度，并让润滑油温度保持在20～30 ℃。以“压燃”为点火方式的柴油发动机决定了气缸壁与活塞环的配合间隙是发动机设计的核心技术之一，为了使发动机有效功率最大化，通常以冷却液最高温度区间80～95 ℃作为发动机气缸配合间隙的设计温度。因气缸壁与活塞环的配合间隙非常小（通常为丝微米级），易受环境温度变化影响。车辆启动时冷却液温度与大气温度（-40～40 ℃）基本相同，在环境温度低于-40 ℃的情况下，配合间隙变小，磨损加剧，所以启动时磨损非常严重，即使发动机启动升温时间很短，但发动机的磨损却占总量的50%左右，环境温度越低起动磨损越大。

为更有效地利用热量，车辆加装该系统以近发动机为原则，同时根据不同车型推出最佳安装位置（近发动机水路，近发动机油底），电源取自车载电瓶，安装步骤：

（1）选择预热系统安装位置及安装固定台架。预热系统须安装在发动机附近，避开旋转、运动及不耐热部件，且不妨碍车辆日常保养与检修；与发动机及其他热源的距离不小于10 cm，且不能高于发动机，也不能置于车底盘之下。

（2）判断原车水路循环方向及连接循环管路。首先将发动机回水管与预热系统出水口连接，再将暖风回水管与预热系统水泵进水口连接。循环管路连接并固定，避开高温和易摩擦处，整体管路需预防挤压、割破，避免出现水路不通畅、渗漏等现象。

（3）油路安装。在油箱上端盖处选取适当位置，开Φ8 mm 的圆孔，将油箱立杆与油箱固定，另一端与柴油机油液预热系统固定，并确保油管下端和油箱底部的距离为20 mm 左右，并将立杆调整到不影响浮子运动为佳。

（4）电路的2 种连接方式：将预热系统开关板安装在驾驶室控制台面，连接方式如图2 所示。电路连接完成应理顺线束并固定，禁止用铁丝捆绑，避开运转和高温部件，严禁线束外表损坏和短路。

图2 2 种油液预热系统电源线连接示意图Fig.2 Power line connection schematic of two kinds of oil preheating system

（5）预热系统的安装。因润滑油油底壳引风预热系统在工作时温度较高，所以安装时应注意远离易燃及不耐热部件（如原车线束、塑料护板等）。安装位置必须高于汽车底盘。把预热系统的出气口与油底壳引风预热装置固定牢固，依次固定至发动机油底壳的底部。

（6）初装调试。启动发动机，排出水路中的气体，查看附加管路有无泄漏现象，检查防冻液是否缺少，如缺少须添加至标准量，启动柴油车油液预热系统。

实验证明：低温启动时，起动机消耗的电流很大，为常温起动的6～10 倍，温度越低，发动机启动时所需的瞬间电流越大，启动时间越长对电瓶的损坏越大。

3 改进后的优势

车辆完成改装后普遍反馈比改装前启动性能提高，同时其他方面也有显著改善。本套柴油车油液预热系统是四季适用的预防性维护产品，有较强的实用性。以257.4 kW 柴油车安装本系统后实验，每天启动该系统2 次，行驶300 km，按300 d 行驶90 000 km 测算，最低节油6.25%，即2 250 L 以上，经济节油近2 万元。由于发动机内各部件在最佳温度下工作，进而大大减小了各部件之间的磨损，保持车辆在最佳状态下工作，意味着大幅减少维修次数和时间，同时降低起动电流和起动阻力，成倍提高电瓶和起动机的使用寿命。

本系统除具冬季冷启动功能外，还有其他方面作用：（1）保护起动机。使用该系统后发动机在热车状态下启动，起动机工作时间大大缩短，起动电流显著降低，因此起动机使用寿命成倍增加；（2）冬季起动方便快捷。我国北方地区冬季十分寒冷，极限温度在-40 ℃左右，加装预热系统后，发动机启动前温度远高于环境温度，便于启动；（3）驾驶室供暖。发动机冷却液在该系统中循环加热，温度上升到80 ℃，车内暖风打开后便有较高的初始温度，可为驾驶员提供良好的工作环境温度。中途因故停车时无需启动发动机，只需起动该系统即可取暖，从而节省燃油；（4）环保。发动机低温启动时，燃烧不稳定现象十分明显，15 ℃时发动机始终处于失火状态；20 ℃时，着火点均出现在 7 °CA ATDC 之后，缸内最高燃烧压力较低；40 ℃和60 ℃时着火点小于4.5 °CA ATDC；80 ℃以后，各循环最高燃烧压力、前后缸压曲线变化更加平稳，着火点提前至3 °CA ATDC。使用该系统之后，能够将发动机冷启动产生的CO、碳氢化合物、NOX等排放降低67%。

4 结语

鉴于北方地区的气候和用户的特殊性，应在产品开发上提高适应高寒地区的特性，满足客户只需提前打开预热独立热源20 min 左右，无需任何多余动作，上车即可与常温时一样一次起动。为了达到这个目标，一方面提出适应性改善优化方案，如更换更粗燃油进油管，换装冬季润滑油；另一方面设计了柴油及润滑油预热装置，用于车辆冬季冷启动，不仅保护了起动机，给驾驶室供暖，还能够减少CO、碳氢化合物、NOX等污染物的排放。