摘要： 每当冬季到来后，气温逐步降低，不少用户都反映柴油发电机组起动较困难。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。柴油机起动需满足起动转速不低于80r/min、压缩终了空气温度不低于200℃、压力不低于3MPa三个基本条件。低温条件下，进气温度低、起动转速下降导致散热时间长、压缩空气泄漏增加，使压缩终了温度和压力降低；同时柴油粘度增大、雾化质量变差，进一步加剧起动困难。本文系统阐述柴油机低温起动过程——从第一次着火到连续着火的过渡机理，详细分析低温起动困难的三大成因（进气温度低、散热损失大、泄漏量增加）及其对压缩终了状态的影响，并介绍提高压缩温度、改善喷雾雾化、优化喷射方式（两次或三次喷射）等三项改善冷起动性的主要技术措施，为柴油发电机组的冬季使用提供操作指导，为柴油机冷起动性能改进提供技术参考。
一、起动过程
1. 柴油机起动的热力学条件
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，柴油发电机曲轴只能被起动机带动着旋转。这两个临界值是柴油自燃的基本门槛，压缩温度低于200℃时，喷入气缸的柴油无法获得足够的活化能自行着火；压缩压力低于3MPa则意味着空气密度不足，无法提供足够的氧气支持燃烧。
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。每一次压缩循环中，前一次压缩余留的热量积累使缸内温度逐步攀升，这是一个从冷态向热态过渡的热积累过程。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。
2. 第一次着火后的热量积累与温度提升
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，使这些零件温度升高并积蓄热量，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。这种“热量反馈”机制是柴油机从断续着火过渡到连续着火的关键——高温零件在进气冲程中充当“蓄热器”的角色，将储存的热量释放给新鲜充量。
3. 从断续着火到连续着火的转变过程
出现了第一次着火后，柴油发电机转速将迅速增加，为其余各缸着火创造了条件。进而产生断续着火，柴油发电机转速进一步提高。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，因而比其余各缸更容易着火。
断续着火出现一段时间，柴油发电机转速增加，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，柴油发电机进入连续着火。
4. 起动成功的关键与操作要点
当柴油发电机产生的力矩大于或等于起动阻力矩时，便可脱开起动机，柴油发电机开始独立运转。如果在柴油发电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柴油发电机的工作情况，避免因过早脱开起动机而使起动失败。
在低温条件下借助于低温起动装置（如专用起动液加注器喷射起动液）起动柴油发电机时，在起动脱开后仍要使用这些装置，一直到柴油发电机能独立的平稳运转为止。过早停止使用这些装置，将会导致起动失败。这是因为低温起动液仅提供额外的引燃能量，而发动机自身的压缩温度和零件蓄热量尚未达到自维持燃烧的水平，辅助装置过早撤除会使已建立的热平衡被打破。
二、低温起动困难的原因
1. 柴油机起动的三个基本条件
柴油机起动应具备以下条件：起动转速不低于80r/min（6缸柴油发电机，现在欧二排放柴油发电机要求转速在150r/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，柴油发电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。转速要求从80r/min提升到150r/min反映了现代柴油机对更高压缩压力和更精确喷油控制的需求。
2. 压缩终了空气温度与压力不足的三个原因
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，柴油发电机就不能起动了。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。
（1）进气温度低。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。进气温度每降低10℃，压缩终了温度约下降15～20℃，直接影响柴油的自燃条件。低温进气意味着压缩始点的温度基准大幅降低，即便压缩比不变，终了温度也难以达到200℃的着火门槛。
（2）起动转速低导致散热损失增大。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。起动转速从150r/min降至80r/min时，压缩终了温度约降低30～50℃。低温环境下温差增大，传热速率加快，而较低的转速使散热时间延长，两者共同造成大幅度的热量损失。
（3）泄漏量增加。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。泄漏量增加使有效压缩比降低，压缩终了压力下降，自燃延迟期进一步延长。
3. 柴油雾化质量恶化的影响
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。当柴油温度从20℃降至-10℃时，其粘度约增加2～3倍，燃油颗粒的索特平均直径（SMD）约增大30%～50%，雾化质量显著恶化。
柴油柴油发电机侧视图
三、冷起动特性
1. 环境温度对燃烧过程的影响
压燃式柴油发电机的燃烧过程取决于混合气形成和自行着火的条件。当冷起动时，柴油发电机的环境温度最低，甚至达到零下几到几十摄氏度，这种环境温度会给柴油发电机冷起动带来困难。一方面，环境温度低，则气缸内压缩始点温度低，传热损失大，而且起动时柴油发电机转速低，漏气量增加，从而造成压缩终点的温度和压力降低，不利于自燃。另一方面，对一定的喷雾特性，当环境温度低时，燃料的黏度增加，使燃料的蒸发和雾化特性变差，直接影响混合气的形成。
2. 冷起动时的排放特征
对车用柴油发电机而言，不管环境温度如何，均要求顺利起动。因此，冷起动性是压燃式柴油发电机的一项重要的性能指标。在低温冷起动（或怠速）时，由于燃料未完全蒸发，所以排气中HC和CO排放增多，而且未完全蒸发的燃料以油滴颗粒状态排出，形成微粒，这种微粒称为可溶性微粒（SOF），由于排出的油滴直径不同，在阳光的照射下会产生不同的颜色，从而形成白烟和蓝烟。白烟主要由直径较大的油滴（约1～10μm）散射阳光形成，蓝烟则由更细小的微粒（约0.1～0.5μm）产生，是低温起动燃烧不充分的一个典型外在表现。
3. 改善冷起动性的主要技术措施
改善冷起动性的主要措施主要有三个方面。
（1）提高压缩温度使其足够高。为此应尽可能提高压缩比，或采用电热塞加热进入气缸的空气。提高压缩比可直接提高压缩终了的压力和温度，但受机械负荷限制。进气加热装置（如火焰预热器或电热塞）可在进气歧管内对空气预热，有效提高压缩始点温度。
（2）改善喷雾的雾化条件。在低温下也能易于形成可燃混合气，为此采用高压喷射，以强制雾化。提高喷油压力可使燃油获得更高的喷射速度和更细的雾化颗粒，即使在低温下也能形成良好的可燃混合气。
（3）优化喷射方式。由于起动或怠速时喷射量较小，对电磁阀式喷油器，喷射压力过高会使喷油器的喷射脉宽变小，造成喷射不稳定，所以根据起动喷射量控制最佳喷射压力，同时优化喷射方式。一般两次喷射（一次预喷，一次主喷）或三次喷射（两次预喷，一次主喷）都能改善起动首循环的燃烧过程，有利于提高冷起动性，但需要优化匹配喷射定时。预喷可在主喷之前形成少量可燃混合气，燃烧后释放热量提高缸内温度，为主喷燃料的迅速着火创造条件。
4. 冷起动时的惰转噪声
由于冷起动或怠速时，气缸内压缩压力和温度较低，滞燃期延长，而且此时燃料的轻馏分首先着火，所以压力升高率大，会造成柴油发电机惰转噪声。这种噪声是燃料在低温下着火延迟期延长后，大量燃油在着火瞬间同时燃烧产生的压力急剧上升所致，表现为周期性的沉闷敲击声。随着柴油发电机转速的增加，这种惰转噪声会自动消除，或采用多次喷射方式也能降低惰转噪声。
总结： 柴油发电机低温起动困难的根本原因是压缩终了温度与压力不足，无法满足柴油自燃条件。低温导致进气温度低（低20～60℃）、起动转速下降（低于80r/min时无法起动）、散热损失增大和泄漏量增加，三者共同使压缩终了温度低于200℃、压力低于3MPa，同时柴油粘度增大恶化雾化质量。改善冷起动性的关键技术包括：提高压缩温度（提高压缩比或进气预热）、改善喷雾雾化（提高喷射压力）和优化喷射方式（两次或三次喷射，预喷预热为主喷创造条件）。冷起动时排气中的白烟和蓝烟是未完全蒸发的燃油以油滴形式排出形成的可溶性微粒(SOF)，随着发动机温度升高和燃烧改善会自动消失，采用多次喷射方式也可有效降低冷起动期间的惰转噪声。建议用户在冬季使用中，确保起动转速不低于150r/min（欧二标准），合理使用低温起动辅助装置，并在脱开起动机后继续辅助运转直至机组平稳独立运行。
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