柴油机冷起动常识

第一、概述

冬季到来后，气温逐步降低，不少司机都反映汽车起动较困难。通过长期的低温起动试验总结，本文就影响发动机低温起动性能的各个因素作了分析，对用户的使用提供指导，同时可供发动机的性能开发工程师参考。

第二、发动机的低温起动

1、柴油发动机的起动过程

柴油机的起动转速较低，在压缩行程中被压缩的空气散热时间较长，空气泄漏的时间也较长，致使一部分空气漏掉，于是压缩终了的温度也较低。一般说，柴油机的着火条件是压缩终了的压力达到3MPa（30个大气压力），温度达到200℃。如果压缩终了的压力及温度达不到上述数值，则不能着火，发动机曲轴只能被起动机带动着旋转。

随着被带动的循环次数增加，压缩终了的空气温度逐渐提高。一旦某缸内的压缩终了的空气温度与压力达到上述数值，便压燃喷入的柴油，出现第一次着火。

出现第一次着火后，产生的废气（正常运转时温度为400～700℃）将加热气缸盖、活塞、气门及气缸，使这些零件温度身高并积蓄热量，在下一个进气过程中放出，加热进气，残存的高温废气与进入的空气混合，进一步加热进气，从而进一步提高压缩终了的空气温度，有利于第二次着火。出现了第一次着火后，发动机转速将迅速增加为其余各缸着火创造了条件。进而产生断续着火，发动机转速进一步提高。由于出现第一次着火的气缸比其余各缸多了空气被加热的因素，因而比其余各缸跟容易着火。

断续着火出现一段时间，发动机转速增加，气缸内压缩终了的空气温度与压力增加。当各缸压缩终了的空气温度达到柴油的着火温度时，于是各缸按照柴油机的点火顺序依次工作，发动机进入连续着火。当发动机产生的力矩大于或等于起动阻力矩时，便可脱开起动机，发动机开始独立运转。如果在发动机产生的力矩小于起动阻力矩时就脱开起动机，则有可能导致起动失败。因此在进行起动操作时要仔细察听发动机的工作情况，避免因过早脱开发动机而使起动失败。

在低温条件下借助于低温了起动装置（如专用起动液加注器喷射起动液）起动发动机时在起动脱开后仍要使用这些装置，一直到发动机能独立的平稳运转为止。过早的停止使用这些装置，将会导致启动失败。

2、柴油发动机低温起动困难的原因

柴油机起动应具备以下条件：起动转速不低于80r/min（6缸发动机，现在欧二排放发动机要求转速在150 r/min）；压缩终了的空气温度不低于200℃；压缩终了的空气压力不低于3MPa。在低温条件下，发动机转速随温度的下降而迅速下降，如果起动转速低于80r/min，即使采用了冷起动辅助措施，使用了低温起动附加装置，也很难使柴油机起动。

在低温条件下，压缩终了的空气温度与压力比在常温条件下低，当低到喷射到气缸的柴油不能自燃时，发动机就不能起动了。一般说，在低温条件下影响压缩终了空气温度的原因有以下三个方面：

一是在低温（0～－40℃）条件下进气的温度就比常温（20℃）低20～60℃，这是使压缩终了的空气温度与压力下降的重要原因。

二是由于起动转速在低温条件下明显下降。因此在压缩过程中压缩空气向气缸盖、气门、活塞、气缸散热的时间长，加上机体与压缩空气间的温差大，散失的热量大，使压缩终了的空气温度与压力降低。

三是由于起动转速下降，压缩空气泄漏的时间长，泄漏量明显增加，导致压缩终了的空气

温度与压力下降。

在低温条件下，柴油粘度增加，表面张力增大及起动转速低，导致喷油压力低，均会使柴油的雾化质量变差，延长了着火滞后期，使柴油机起动困难。

3、柴油机起动性能

一般用发动机在某温度下能起动的最低起动转速表示发动机在该温度下的起动性能。对于一台配有某一起动系统的发动机来说，一般用其能起动的最低温度来表示其低温起动性能。

发动机能起动的最低温度可以由低温低温起动试验求得图一表示的是发动机起动特性。

蓝色曲线表示发动机在各温度点的最低起动转速，红色曲线表示起动系统能带动发动机旋转的转速。前者反映发动机的性能，后者反映起动输出系统的性能，两条曲线的交会点对应的温度－17℃就是该发动机配该起动系统后能起动的最低温度。

图1 某型号柴油机起动特性

由图一可以看到，要想使发动机能在较低的温度下起动，可以采取以下两种技术途径：一是提高发动机的起动转速；二是降低发动机能起动的最低起动转速。提高柴油发动机起动转速的措施及附加装置有：使用低温机油；使用低温蓄电池；使用低温防冻防锈液；使用大功率起动机及起动电源等。降低柴油发动机能起动的最低起动转速的措施及附加装置主要有：进气预热装置；机油预热装置；冷却液预热装置等。

第三、发动机低温起动性能开发

早期的用户烤油底壳或者手摇发动机起动是常事情，随着经济的发展，用户的要求逐渐提高，发动机起动困难会带来用户强烈的抱怨。各个发动机主机厂和整车OEM厂家越来越重视发动机的低温起动性能。不少发动机厂和主机厂每年冬天都到黑龙江省进行寒区试验，以验证发动机（整车）的低温性能。发动机的低温起动性能开发主要包括以下几个方面：

1，发动机提前角的确定;

发动机的提前角关系到什么时候喷油，决定了发动机

2，发动机起动油量的确定

3，发动机燃烧室、喷油器和缸盖的合理匹配

第四、低温机油

1、发动机低温起动对机油的要求

随着温度的下降，机油的内摩擦力增加，发动机阻力矩增加，使发动机起动说需要的功率增加。而发动机配用的起动系统在各温度下所能输出的起动功率取决于蓄电池，由于蓄电池的容量随着环境温度的下降而降低，因此起动系统输出的功率也随着环境温度的下降而降低，温度越低，下降的越快。因此在低温环境下，起动输出功率一定的情况下，若想降低发动机的最低起动温度，关键的一点就是降低发动机的阻力矩，选用低温时粘度较小的机油，降低起动所需功率，提高发动机的起动性能。

机油的粘度也内部摩擦力小，功率损失小，耗油率低，但承载能力差。粘度过低还会引起零件加速磨损，严重时还会引起烧瓦。

正常的液体润滑在摩擦副之间充满了润滑油。润滑油把一对摩擦副相对应的表面分开，使这一对零件的摩擦表面互相不接触，从而降低这对摩擦副之间的摩擦系数，而且不损伤零件的表面。对于有压力供油的润滑系统的发动机，如果供油不足，在零件之间就会发生接触，形成半干性甚至干性摩擦。这不但使摩擦系数增加，而且还会加速零件的磨损。对发动机来说，润滑油还有另一个作用，那就是使摩擦副产生的热量带走。如果不及时的把热量带走，热量积聚，温度升高，机油粘度下降，油膜损坏，就会发生严重磨损甚至烧蚀零件。

在进行发动机低温起动时，由于机油低温粘度增加，常引起润滑系统供油不足甚至供不上油。表现为机油压力跳动或压力指示在零不摆动。在上述情况下，如果驾驶员轰油门，就有可能发生烧轴瓦的故障。因此在发动机进行低温冷起动试验，不仅要求机油的粘度低，而且要求发动机起动后能很快的把机油送到各润滑点去。

2、内燃机粘度等级分类

表1 内燃机油粘度等级分类

举例：0W/30机油，表示机油为多级机油，最低满主SAE 0W即-40℃的要求，最高满主SAE 30即40℃的要求，那么0W/30机油适合的温度应该为-40℃～40℃温度下使用。

动力粘度：粘度是液体的内摩擦力，也称粘性。低温粘度是指低温条件下的机油的动力粘度。

动力粘度亦称绝对粘度，常用单位是Pa.s。1mPa.s的粘度与23.3℃的蒸馏水的粘度大体相当。在此温度下，轻柴油的粘度约为其2～8倍，机油的粘度为其几百甚至上千倍。

运动粘度：液体的动力粘度除以该液体同温度下的密度就是液体的运动粘度，它的单位是mm2/s。普通车用机油用100℃时的粘度表示其使用性能。粘度大的机油承载能力强，但内部摩擦力大，功率损失大，耗油率高。粘度小的机油内部摩擦力小，功率损失小，耗油率低，但承载能力差。粘度过低还会引起零件加速磨损，严重时还会引起烧瓦。应根据发动机的类型、工况及强化程度等来选用机油的粘度。

第五、蓄电池

低温起动对启动系统输出功率的影响

发动机的起动系统主要由起动电机、起动电缆、起动蓄电池及起动传动装置等组成。其输出功率与起动电机的功率、电缆的电阻（一般小于0.001Ω）、蓄电池的容量和传动装置的传动比（一般传动比为11～14）等有关。起动输出系统的输出功率影响发动机的低温起动性能。输出功率大，起动转速高，则发动机能在更低的温度下起动，提高了发动机的低温起动性能，但随着环境温度的下降，蓄电池大电流放电，容量急骤下降，输出功率下降，使起动系统输出功率下降，起动转速降低，从而使发动机能起动的最低温度升高，起动性能下降。

随着温度下降，蓄电池电解也（稀硫酸溶液）粘度增加，电阻率增加。表1可以看出，当电解液体由30℃下降到-40℃，电解液的电阻率增加了7.36倍。

电解液的电阻率增加使蓄电池内阻增加，从而导致蓄电池起动输出功率急骤下降。

E蓄－I起.R内＝I起.R揽＋I起.R机

式中：

E蓄——蓄电池的电动势，V；

I起——起动电流，A；

R内——蓄电池内电阻，Ω；

R缆——起动电缆内阻，Ω；

R机——起动电机阻抗，Ω；

式中，E蓄－I起.R内就是起动时蓄电池的端电压，I起.R揽为电缆线内阻引起的电压降，即被消耗的部分。只有I起.R机来起动发动机，起动功率为I2起.R机。蓄电池的电动势与起动电缆线的电阻随着温度的下降变化很小，只有蓄电池的内电压随着温度的下降而迅速增加。另一方面，由于低温起动时起动阻力的增加使起动电流增加了3～4倍。在低温条件下，由于蓄电池内阻与起动电流的迅速增加，使蓄电池的端电压下降，起动输出功率下降，起动转速下降，最后导致发动机不能起动。

蓄电池的容量随温度的下降与放电电流的增加而急剧下降。因而蓄电池在低温下输出的总容量及大功率放电的持续时间大大地下降。

提高汽车蓄电池在低温条件下的输出功率，一般只有两个办法：一个是使用低温性能好的蓄电池，一个是使蓄电池处于温暖状态。

低温蓄电池的特点是使用薄极板，并加入一些活性添加剂。普通蓄电池极板的厚度为2.5mm，而低温蓄电池极板的厚度只有1.5mm，有的甚至只有1.1mm。这样在同样大小的蓄电池壳内就可以多放一些极板，一则因作用面积大，活性物质反映充分，使蓄电池容量增加；二则因作用面积大，内电阻减小，因而提高了蓄电池的低温输出功率和发动机的低温起动性能。

第六、防冻液

一、防冻液介绍

在发动机中，燃料燃烧所放出的热量，一小部分通过发动机转变为机械能，大部分要通过废气与发动机本身散失掉。如果通过发动机散失的那部分热量散失的不够，那么就会使发动机过热、工作困难或不能工作，严重时还会发生机械故障，甚至损坏发动机。液冷式发动机是用冷却液做传热介质，通过冷却系统把热量带出并散失掉，使发动机冷在某一适合的温度范围内正常工作。作为液冷式发动机的冷却液，一般应满足以下要求：

1、比热大，传热性好

2、冰点低，以保证在冬季不结冰

3、粘度小，以保证在冷却系内正常循环

4、沸点高，以保证发动机冷在较高的温度下工作，提高热效率，减小化学—机械磨损，延长

发动机寿命，并减少蒸发损失；

5、不腐蚀冷却系统的金属（如铜、黄铜、钢、铸铁、铸铝、焊锡等）

6、不容易着火燃烧；

7、不易产生泡沫，以保证不影响传热；

8、无毒，无公害。

最早用来做发动机冷却液的是水，至今，水仍然是使用广泛的发动机冷却液。用水做冷却液的优点是：来源广；无毒；粘度小；不燃烧；比热大；传热性好。在各种冷却液中，水的比热最大，其值为4.186J/kg.K。使用水做冷却液可以把冷却系统设计的小一些。

用水做冷却液存在的主要问题是：在0℃结冰，而起体积膨胀，可以把缸体、散热器冻裂；产生电化学腐蚀及化学腐蚀，损坏冷却系统；天然水中的碳酸氢钙与碳酸氢镁等盐类受热后行成碳酸钙与碳酸镁沉积在发动机水套与散热器的内壁上，起到隔热与堵塞通道的作用，使发动机过热。严重时，可使发动机或散热器报废。

水冷却液最大的问题是在温度为0℃结冰，冻坏发动机或散热器，因此人们使用冰点低于0℃的液体做冷却液。这些低冰点的冷却液通称为防冻液。用于汽车的防冻液有酒精—水防冻液；甘油—水防冻液，乙二醇—水防冻液等。

酒精—水防冻液乙醇（C2H2OH），工业上称酒精。酒精与水按不同的比例混合，即组成不同冰点的防冻液。酒精含量越多，冰点越低。如含量为40％（质量）时，冰点为－30℃；含量为70％（质量）时，冰点为－50℃。但含量超过40～50％时易产生蒸气着火，因此实际使用的酒精—水防冻液的冰点多在－30℃上下。酒精—水防冻液的流动性好，散热快，配制简单，酒精的来源广。但存在着使用易着火和酒精蒸发后引起冰点上升等问题，因此现在已很少使用了。

甘油—水防冻液丙三醇「C2H5（OH）3」，工业上称为甘油。甘油与水按不同比例混合可配成不同冰点的防冻液。含甘油越多，它的冰点越低。当甘油的含量为51.2％（质量）时，冰点为－20℃；含量为76.5％（质量）时，冰点为－45℃。甘油—水防冻液不易着火，不易蒸发，无

毒，对金属腐蚀很小。但甘油降低冰点的效率低；配制同一冰点的防冻液时，甘油的用量比乙二醇大，甘油的价格高，因此使用不太广泛。由于它无毒、放腐蚀。因此北欧有一些国家仍使用这种防冻液。

乙二醇—水防冻液乙二醇「C2H5（OH）2」与水混合可以配成不同冰点的防冻液。其最低冰点可达－68℃。乙二醇—水溶液的沸点高于100℃，可以防沸。但这种防冻液易使金属腐蚀，比热小，有一定毒性等问题。尤其是它易使金属腐蚀，很长一段时间内限制了它的发展。知道研究出了综合防腐剂，有效的抑制了对金属的腐蚀，才使乙二醇—水防冻液有了发展。综合防腐剂加入乙二醇—水防冻液中，具有冬季防冻，夏季防沸，常年使用防锈蚀、防结垢等功能，可使用1～2年不需要更换，因此已成为现代汽车发动机冷却系的主要冷却液。现在市场上出售的防冻液都是乙二醇—水长效防冻液。

二、防冻液的使用

1、根据汽车使用地区的气温选用不同冰点的防冻液。防冻液的冰点应比该地区的历史最低气

温低5℃。

2、要根据发动机的具体情况选用防冻液。缸体或散热器用铝合金制造的发动机，应选用硅酸

盐类的防冻液。强化系数高的发动机，应选用高沸点防冻液。

3、乙二醇防冻液膨胀率比水大，如果没有膨胀水箱，防冻液只能加到发动机冷却液系统容积

的95％。

4、如果发动机冷却液系统使用的不是防冻液，在加入防冻液之前要冲洗冷却系统。

5、乙二醇表面张力小，又是一种橡胶防膨胀剂，如果原发动机是用水做冷却液，在加入防冻

液后，被水泡胀了的橡胶件就要回缩到原来的尺寸。因此在加入防冻液后要拧紧喉箍及密封衬垫的压紧螺钉，以免渗漏。

6、使用一段时间后，防冻液会出现短少，这时首先要检查防冻液的密度。如果密度没有增加，

这是由于渗漏引起的，应加入相同牌号的防冻液；如果密度下降，应加入同牌号的防冻液浓缩液；如果密度增加，这是由于水蒸发引起的，应加入蒸馏水或去离子水。加入蒸馏水或浓缩液后，待搅拌均匀后再检查防冻液的密度，知道所需冰点对应的密度为止。切勿加入普通用水（如河水、湖水、池水、井水、自来水等），因为这些水中都含有杂质，会消耗一部分防腐剂。

7、不同牌号的防冻液不能混用，以免破坏各自的综合防腐能力。

8、长效防冻液使用年限为1～2年，到期后要更换。为了减少浪费，可在到年限后检查防冻

液的PH值。如果PH值高于5.5，可以继续使用。如果PH值低于5.5，应及时更换，否则会加速冷却系的腐蚀。在PH低于5的防冻液中加入延效剂，可使防冻液延长使用一年。

9、乙二醇有毒，对肝脏有损害，切勿吸入口中。皮肤接触后，要用水清洗。亚硝酸钠为致癌

物质，沸液不要乱倒，以免污染环境。

第七、低温柴油

GB252-2000按凝点将轻柴油分为10号、5号、0号、-10号、-20号、-35号、-50号共七个牌号。牌号的含义为凝点。例如：10号表示该种柴油的凝点不低于10℃。其中，10号轻柴油适用于有预热设备的柴油机。其它牌号分别适用于风险率10%的最低气温8℃、4℃、-5℃、-14℃、-29℃及-44℃以下的地区使用。与原GB252-1994相比，增加了一个牌号。增加的牌号为5号。此牌号的轻柴油适用于风险率10%的最低气温8℃以上的地区使用。其它牌号及适用使用地区未变。风险率是由我国气象台根据气温记录分析得出的。风险率10%的最低气温值表示该月中最低气温低于该值的概率为0.1，或者说该月中最低气温高于该值的概率为0.9。

第八、低温起动进气预热装置

一、用进气预热装置起动柴油机的优点

近20年来进气预热装置发展很快，现已成为一种主要的柴油机低温起动附加装置。发展快的原因可归纳为以下几点：

a、效果明显进气预热装置可以明显的提高柴油机的低温起动性能。使用火焰进气预热装置，

电热进气预热装置均能使柴油机冷起动的温度下降20℃左右。

b、工作平稳用起动液起动柴油机，如果混合气果农就会使发动机工作粗暴，发出金属敲击声。

而使用进气预热装置起动柴油机，则工作平稳，柔和。

c、使用方便使用进气预热装置用本车的柴油燃烧产生的热能或是蓄电池的电能来加热进气，

使柴油机在低温下起动，不需要其他辅助物品，因此使用方便。

d、使用成本低用起动液起动柴油机，起动一次的费用为0.5～1元，在－40℃的低温下起动一

次约2元，这样就增加了使用成本。而使用进气预热装置却不需要这一笔费用。

e、降低污染柴油发动机起动后，在发动机升温期间，由于燃烧不完全，排气管冒白烟，污染

空气。使用进气预热器装置后，由于燃烧条件得到改善，因此大大减少了起动发动机后在升温期冒的白烟，降低了对大气的污染。

二、对进气预热装置的要求

a、有适当的加热量

提高进气温度可以降低柴油机能起动的最低温度，改善柴油机的低温起动性能。但随着进气温度的身高，空气密度下降，却又不利于起动性能的改善。如果加热过度，进气温度过高，反而会得到相反的效果。试验表明对于进气预热装置，一般在进气管口处按每升排量提供400～500W的热量时，能得到最佳效果。对于火焰进气预热器，一般来说，耗去15～20％空气时能得到最佳效果。综上所述，进气预热装置应按发动机排量，起动时转速来定加热量，以期获得最佳效果，避免预热过度或预热不足。

b、加热尽可能均匀

使用进气预热装置起动多缸柴油机，各缸的进气温度不会完全相同。如某一缸适当，其它各缸就会存在预热不足或是预热过度，这就会影响对这一多缸柴油机的预热效果。对于结构与布置等因素的影响，要使多缸进气温度完全相同是困难的，但要尽可能做到对各缸热气均匀，以期得到满意的效果。

c、结构简单，工作可靠，操作简便

d、使用寿命长，不易损坏

e、耗电量小

f、放在进气管内，不影响进气量

g、对进气污染小，尤其不允许灰烬进入气缸。

三、电热进气预热装置

1 电阻片式预热器，采用镍铬合金做加热带。如下图为某型号进气预热器。

电阻片式预热器的预热器时间与进气温度成反比，进气温度越高需要的预热器时间越短。下图为某型号发动机进气预热器预热时间与进气温度的关系。

3、火焰预热器，在我公司应用较少，冷起动效果一般，不予以推荐。

三种产品各有自己的优缺点。电阻片式预热器需要预热时间比较短，仅仅需要45～60S 的时间，能满足－35℃低温冷起动需求，且一般安装在发动机缸盖气道内，或者进气盖板上，基本不影响发动机外形尺寸，但由于加热功率较大，1800W~3000W,所以耗电量也较大，一般需要消耗2～3Ah 电量。PTC 陶瓷预热器，预热时间4～6分钟，可以满足－41℃低温冷起动要求。并且PTC 陶瓷材料的电阻随着温度的升高电阻变大，功率逐渐下降。因此预热过程仅仅需要消耗不到1.7Ah 的电量。缺点是预热时间较长，且预热器整体在发动机外，影响发动机外形尺寸。

第九、动机使用发动机建议

低温条件下，燃料粘度增加而不利于燃油的雾化与燃烧，润滑油流动性变差使各运动零部件阻力增大，再加上蓄电池工作能力降低等因素的影响，极易导致发动机启动困难、机件磨损、功率降低、燃料消耗增加和动力性能下降。为保证各类工程机械在寒冷条件下能够安全地投入使用，应当做好日常保养，最好安装低温辅助启动系统。

1、冬季日常保养

①冬季启动柴油机时，应先对燃油系进行换季保养。一般情况下，所用柴油的凝固点应低

于季节最低温度3-5℃，以保证最低气温时不致因凝固而影响使用。一般来说，在长江以南地区冬季可选0#轻柴油；在长城以南地区和长江以北地区严冬时，均选用-20#轻柴油；在东北、西北和边疆严冬地区应选用-35#轻柴油。

②检查和保养蓄电池、起动机、发电机及线路的连接情况。

③检验喷油器的雾化情况和供油时间，检修涡轮增压器、燃油箱及燃油管路，勤清理空气

滤清器，及时排放燃油箱内的积水和沉淀物，适当缩至空气滤清器和燃油滤清器的更换周期，必要时检修机油泵及曲柄连杆机构，确保润滑油路的正常工作。

④更换与工作环境相适应牌号的润滑油，缩短机油滤芯的更换周期。

⑤更换合格的、与环境温度相适应的防冻液，检查节温器及水泵的工作情况。

⑥低温运行时，应适当减轻机器的作业强度。

2、用进气预热器预热起动发动机后，由于此时机油的温度低、粘度较大，启动后在一段时间

内气缸壁上油不多，润滑条件恶劣，发动机工作时机体内作往复运动和回转运动的机件间同样会形成干摩擦，使机件磨损加剧；由于摩擦中产生的高温能使摩擦表面金属熔化，极易造成机件卡死。因此，使用进气预热装置启动发动机后也应切忌加大油门运转，否则易造成拉缸事故。