大功率柴油机低温自动快速一键启动系统及启动方法与流程

本发明涉及柴油内燃机启动技术领域，尤其涉及能够在低温下自动快速启动大功率柴油发动机的系统及方法。

背景技术：

军用车辆是我军装备数量多、使用范围广的基础地面机动装备之一，在我军的作战保障和后勤保障中发挥着极其重要的作用。在未来信息化战场，为完成打赢信息化条件下的局部战争的作战使命，我军军用车辆的机动性能、信息化水平和保障性要求将越来越高。

蓄电池是军用车辆的不可或缺的重要部件，是军用车辆电气系统的心脏，其是制约我军军用车辆严寒地区机动性能和通用保障性能发挥的总成零部件中的短板。

目前使用的军用车辆铅酸低温起动启动电池，在我国东北及新疆北部-30℃至-50℃的严寒气候区，放电性能急剧下降，导致军用车辆无法正常起动启动。通常对军用型起动启动铅酸蓄电池极低温(-41℃)放电特性提出了更高的要求，但由于铅酸蓄电池的结构物理特性，决定了其低温下输出的总容量和大功率放电的持续时间大大下降，难以满足军用车辆及低温的使用要求。

具体来说，目前使用铅酸电池进行低温启动的问题是：

1)铅酸电池低温下性能衰减快，其间歇的3倍率(3C)放电时间不会超过3分钟(30秒放电、60秒静置循环)，只有标称电量的15％；如果3倍率持续放电，放电时间不会超过2分钟，只有标称电量的10％；

2)低温下启动，车辆是很难一次拖动就启动成功的，拖动次数越多，发动系的阻力就越小，车辆就越具备启动条件，但是铅酸电池第一次拖动是最 有劲的，第二次就差一些，第三次实际上难以持续有效拖动。因此，铅酸电池的输出功率在拖动上的表现，和发动机的需求是相反的；

3)低温下启动车辆，电池在拖动时输出电压和电流只是影响启动成功与否的众多因素中的一个，进气温度、缸体温度、机油温度等等的因素也是很重要的。铅酸电池因低温下可能容量小，无法提供足够的能量来进行进气、机油等的加热操作，因此必须需要借助喷灯加热、乙醚喷射等措施来进行必要的发动系预热，或者在发动系预热阶段使用另外一套铅酸电池提供有限的能量，这会造成车辆结构复杂、操作繁琐，显然在现代化战争中会贻误战机。

不得已之下，目前车辆用户还要采用加热保温的办法，改善军用铅酸蓄电池的低温放电特性，而这些加热保温措施通常要增加附加装置和耗费较长准备时间来实现，影响军用车辆的应急作战机动性和保障性。

此外在正常使用中铅酸蓄电池还存在以下问题：保电性能差，短期贮存电池将自动放电；寿命短，在军用车辆的全寿命周期，需要更换报废数块电池；经常需要维护保养。

因此急需探索研制开发替代铅酸电池的军用车辆新型电池，彻底解决军用车辆使用铅酸电池带来的以低温起动启动困难为突出矛盾的各种问题，提高军用车辆的机动和保障性能。

常规的锂离子电池已经在众多民用领域替代了铅酸电池及其他体系电池，从目最新的进展来看，在可充电电池(二次电池)领域，锂离子电池依然是2025年之前，最为重要、可大规模应用的二次电池体系。自2000年以来，世界各国已经累计投入超过100亿美元研究经费，其中大多局限在便携式电子设备和电动车领域，至今还不能解决-20℃下的大倍率问题，其产品在-41℃条件下的安全性以及低温放电性能更是无法保证。

低温条件下，尤其是在-41℃极寒条件下的冷启动问题，一直是困扰着重型车辆大功率(380kw以上)，柴油机的一大难题。由于环境低温的影响，发动机润滑油粘度增大，各摩擦表面得不到充分的预润滑，从而加大了发动机的启动阻力(重型车辆发动机后部带有负载，如液力机械变速箱等，使启动阻力进一步加大)，造成发动机启动转速比常温明显下降，压缩气体泄漏增 多，气体向气缸壁的传热时间较长，热量损失较大，使压缩终了的空气温度与压力降低；柴油的粘度和密度均变大，雾化效果变差，缸内的空气温度与压力不足造成柴油机启动困难；蓄电池电解液粘度增大，向极板的渗透能力下降，内阻增加，低温启动时蓄电池输出功率下降，导致启动机无力拖动柴油机旋转或不能达到最低的启动转速。

目前，大功率风冷柴油机配套的火焰进气预热装置仅能满足-20℃的低温冷启动要求，在低于-20℃甚至更冷的极寒条件下，仅靠发动机自带的冷启动装置，很难将车辆顺利启动。为解决极寒条件下的重型车辆大功率风冷柴油机冷启动问题，必须另外为车辆加装冷启动辅助措施，如加注启动液、冷却介质加热、润滑油加热、低温蓄电池及蓄电池保温等，试验表明上述措施虽然在一定程度上能够明显的改善大功率柴油机低温启动效果，但都存在启动准备时间较长的缺点，无法满足发动机在低温-41℃时快速启动的需要，甚至个别的措施(如加注启动液)对发动机损伤较大，同时存在安全隐患。

另外，大功率水冷柴油机配套的柴油锅炉预热系统仅能够对发动机本体进行预热、无法对发动机进气进行预热，在环境温度(进气温度)为-41℃以下时，无法成功启动车辆。并且，在低温下的预热耗时较长(可长达一小时)，无法满足快速启动的要求。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的发明人做出了本发明。本发明要解决的技术问题是，提供重型车辆风冷及水冷柴油机在低温环境下快速启动的系统及方法，通过发动机快速启动，实现底盘为上装设备快速供电，能够将发动机启动时间缩短至4分钟以内、甚至更短。本发明采用智能锂离子低温启动电池，替代传统的铅酸蓄电池，不仅为启动电机供电，还可为发动机缸体加热装置、发动机进气预热装置、燃油加热系统供电，实现发动机快速启动。

该技术可应用于我军各军种现役、在研的坦克装甲车辆、重型和超重型越野平台以及其他军用车辆，降低车辆冬季的启动时间、减少人员以及低温启动相关的后勤保障装备的配备，提高装备冬季静默时间和野外持续作战能 力，降低装备在贮存、使用过程中的维护工作量和准备时间，从而大幅提高我军的快速反应能力、跨地域机动作战能力和全天候作战能力。该技术在抢险救灾、森林防火、反恐维稳等领域也可发挥重要作用，在我国东北和西部地区还存在广泛的民用潜力。

根据本发明的实施例，提供了一种大功率柴油机低温自动快速一键启动系统，所述大功率柴油机具有启动机，所述低温自动快速一键启动系统系统包括一键启动控制器、发动机进气预热装置、发动机缸体加热装置、燃油加热系统以及锂离子低温启动电池，其中，发动机缸体加热装置包括发动机燃油锅炉预热系统和发动机缸体表面和内部的热敏电阻加热片，发动机进气预热装置包括格栅加热器和电热塞，两者同时加热进气管内部的空气温度，使进气温度得到充分预热。燃油加热系统包括燃油箱加热装置、滤清器加热装置、吸油管加热装置，用于对燃油箱、滤清器、吸油管以及发动机缸体内的燃油进行加热，各加热装置均设有自检控制电路，可以分别独立对燃油自动控温加热，使发动机始终保持良好的供油状态。所述发动机进气预热系统用于在柴油机启动之前，对柴油机进气进行预热，所述锂离子电池用于对所述发动机进气预热系统和所述启动机供电。所述发动机缸体加热装置包用于在柴油机启动之前，对柴油机缸体进行预热，所述锂离子电池用于对所述发动机缸体预热系统和所述启动机供电。所述一键启动控制器连接到、并控制所述发动机进气预热系统、发动机缸体加热装置、燃油加热系统和所述启动机工作，

其中，所述一键启动控制器根据环境温度、以及车辆的发动机启动相关信息，确定所述发动机进气预热系统、发动机缸体加热装置、燃油加热系统和所述启动机各自的工作时间，并向所述发动机进气预热系统、发动机缸体加热装置、燃油加热系统和所述启动机发出控制指令。

本发明的有益效果如下：1)在车辆启动系统中，采用智能锂离子低温启动电池，替代传统的铅酸蓄电池，将极寒条件下的可用电量提升7倍以上，充电接受能力提升6倍以上，自放电率降至铅酸电池的10％，寿命提升5倍，保证正常使用四季免拆卸充电、冬季免除车辆保温操作并延长装备静默时间； 2)启动电池具有智能、长寿命、自放电率低、充电接受能力强等优点，能够大幅降低维护工作量；3)通过上述系统及方法，能够使大功率(380kw以上)风冷及水冷发动机在-41℃以下的极低温度下快速启动，启动时间减少一半以上，即，不大于4分钟；整个启动过程只需一个驾驶员即可完成；通过发动机快速启动，实现整车的快速启动，缩短部队快速反应时间。

附图说明

图1为根据本发明的实施例的大功率柴油机低温自动快速一键启动系统的功能组成框图；

图2为根据本发明的实施例的大功率柴油机低温自动快速一键启动方法的流程示意图。

具体实施方式

下面，结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。

本领域的技术人员能够理解，尽管以下的说明涉及到有关本发明的实施例的很多技术细节，但这仅为用来说明本发明的原理的示例、而不意味着任何限制。本发明能够适用于不同于以下例举的技术细节之外的场合，只要它们不背离本发明的原理和精神即可。

另外，为了避免使本说明书的描述限于冗繁，在本说明书中的描述中，可能对可在现有技术资料中获得的部分技术细节进行了省略、简化、变通等处理，这对于本领域的技术人员来说是可以理解的，并且这不会影响本说明书的公开充分性。

下面结合附图对本发明进行详细说明。

根据本发明的实施例的车辆大功率柴油机低温快速启动系统主要包括发动机进气预热系统、发动机预热系统和电源。

发动机进气预热装置包括安装在发动机中冷器与左、右进气管连接处的格栅加热器和安装在发动机左、右进气管上的电热塞；安装在发动机中冷器与进气管连接处的格栅加热器包括左侧、右侧各一个；安装在发动机左、右 进气管上的电热塞各包括四个；电热塞安装在距离格栅加热器较远的位置；位于左侧的格栅加热器和位于右侧的格栅加热器均各自与一个预热继电器相连，位于左进气管上的四个左电热塞和位于右进气管上的四个右电热塞与同一个预热继电器相连，3个预热继电器由一个预热控制继电器控制器控制。

图1为根据本发明的实施例的大功率柴油机低温自动快速一键启动系统的功能组成框图。

如图1所示，提供了一种大功率柴油机低温自动快速一键启动系统，所述大功率柴油机具有启动机，所述低温自动快速一键启动系统包括一键启动控制器、发动机进气预热装置、发动机缸体加热装置、燃油加热系统以及锂离子低温启动电池，其中，所述发动机进气预热系统包括格栅加热器和电热塞，用于在柴油机启动之前，对柴油机进气进行预热，所述锂离子电池用于对所述发动机进气预热系统和所述启动机供电，所述发动机缸体加热装置包括发动机燃油锅炉预热系统或发动机缸体表面和内部的热敏电阻加热片，用于在柴油机启动之前，对柴油机缸体进行预热，所述锂离子电池用于对所述发动机缸体预热系统和所述启动机供电，所述一键启动控制器连接到、并控制所述发动机进气预热系统、发动机缸体加热装置、燃油加热系统和所述启动机工作，其中，所述一键启动控制器根据环境温度、以及车辆的发动机启动相关信息，确定所述发动机进气预热系统、发动机缸体加热装置、燃油加热系统和所述启动机各自的工作时间，并向所述发动机进气预热系统、发动机缸体加热装置、燃油加热系统和所述启动机发出控制指令。

其中，由锂离子电池供电的发动机预热系统主要包括：

燃油箱加热装置，用于对燃油箱内的燃油进行加热，其为安装在燃油箱内的热敏电阻加热片；

滤清器加热装置，为滤清器的体外加热装置，由整体预压紧在滤清器外壳上金属基体和金属基体外部的加热器组成；加热装置工作时，滤清器的外壳周向受热均匀加热效果好，加热速度快，可以防止燃油在低温下析蜡，使保证燃油的流动性好，同时提高燃油温度；

吸油管加热装置，用于对吸油管内的燃油进行加热；其为安装在吸油管 内的电热线，应用配装时，通过三通接口装在燃油管的端部接口处接入燃油管内；

发动机缸体加热装置，用于对发动机的缸体进行加热，其为安装在缸体表面、内部和高压油泵进口位置的热敏电阻加热片；在发动机启动前，发动机缸体、高压油泵、高压油管温度与环境温度相同，虽然燃油箱、滤清器、燃油管路中都有加热装置在为燃油加热，但当燃油流经高压油泵时温度降低，由高压油泵喷入气缸内的燃油温度低，发动机不容易着火；在缸体高压油泵上安装加热装置后，使喷入气缸的燃油温度高，雾化好，发动机容易着火；

显示器和自检控制电路，上述的燃油箱加热装置、滤清器加热装置、吸油管加热装置、发动机缸体加热装置均与显示器和自检控制电路相连，且自检控制电路由电源总开关开关控制，显示器和自检控制电路同时由控制开关控制。自检控制电路为现有电路，不再进行详细描述。

为保证发动机始终保持良好的供油状态，各加热装置设有自检控制电路，可以分别独立对燃油自动控温加热。

所述电源为锂离子电池组，例如恒绿源和公司生产的智能锂离子启动电池。

下面说明根据本发明的实施例的车辆大功率柴油机低温快速启动系统的一键启动方法的原理。

该系统包括与上述各个预热系统、电源、启动机连接的控制器(例如，嵌入式计算机)，其具有用户操作界面，用户可以输入该车辆的目标时间(预期的启动时间)，该系统还存储有与发动机启动相关的信息，如启动机功率、车辆电压、电池组电压和容量、进气预热功率、火焰预热塞数量、燃油加热功率、机油加热功率、燃油锅炉预热器功率、电池电加热器功率、电池柴油预热器功率等信息；

该系统可以连接车辆的ECU，读取车辆信息；

该系统能够根据当前环境温度、以及上述车辆信息，选择最优的启动方案，即，确定各个预热装置和启动机的工作流程(各自的工作时间、持续时间，见下)；

风冷发动机常规启动流程为：启动机工作30秒，所有预热系统工作30秒，启动机工作45秒，所有预热工作1分45秒，启动机工作直至发动机启动成功；例如，根据电池组和预热装置的配置情况，可以让所有预热系统从一开始一致工作不停止，直至发动机启动成功为止(最长不超过45秒)。

水冷发动机启动标准流程(配有小功率进气预热装置、以及锅炉预热装置)为以下两个并行流程：1)在目标时间之前的至少9分钟，开启燃油锅炉预热装置和电池组加热装置，工作至启动成功；2)在目标时间之前的9分钟，进气预热装置开启2分钟，启动机工作30秒，进气预热装置开启2分钟，启动机工作45秒，进气预热装置开启3分钟，启动机工作直至启动成功(最长不超过45秒)；根据电池组和预热装置配置情况，可以选择让进气预热装置在启动机工作时也同时工作；

水冷发动机启动流程(配有中等功率进气预热装置、以及锅炉预热装置)为以下两个并行流程：1)在目标时间之前的至少5分钟，开启燃油锅炉预热装置和电池组加热装置，工作至启动成功；2)在目标时间之前的5分钟，进气预热装置开启1分钟，启动机工作30秒，进气预热装置开启1分钟，启动机工作45秒，进气预热装置开启2分钟，启动机工作直至启动成功(最长不超过45秒)；

对于水冷发动机，当进气预热功率达到0.8kw/升(排气量)时，在-41℃可以选择不使用燃油锅炉预热装置，采用类似风冷发动机的方式进行低温快速启动。

根据上述流程，对装备DEUTZ公司BF12L513C风冷柴油机(功率386kw)的整车、以及400KW的水冷柴油机分别进行了低温启动实验，其配备有上述进气预热系统(装置)、上述发动机预热系统一套、四块12V 180Ah磷酸铁锂离子电池作为电源。

环境温度设定为-41℃，进行保温，直到机油温度、缸盖温度、柴油温度达到环境温度。经过对上述流程的实验，均能够实现一键快速启动，一次点火成功，耗时小于240秒，连续工作时间大于24小时，达到了上级下达的战术指标要求。

图2为根据本发明的实施例的大功率柴油机低温自动快速一键启动方法的流程示意图。作为示例，将启动流程描述如下。

1)所述大功率柴油机是400KW功率的风冷或水冷发动机，所述环境温度为-41℃，所述发动机进气预热系统的额定功率为12KW，所述发动机进气预热系统和所述启动机根据所述控制指令进行如下顺序操作：

所述启动机工作30秒，之后暂停工作；

所述发动机进气预热系统工作30秒，之后暂停工作；

所述启动机工作45秒，之后暂停工作；

所述发动机进气预热系统工作1分45秒，之后暂停工作；

所述启动机工作不超过45秒，直至车辆的发动机启动成功。

2)所述大功率柴油机是400KW功率的风冷发动机，所述环境温度为-41℃，所述发动机进气预热系统的额定功率为8KW，所述发动机进气预热系统和所述启动机根据所述控制指令进行如下顺序操作：

所述启动机工作30秒，之后暂停工作；

所述发动机进气预热系统工作2分钟，之后暂停工作；

所述启动机工作45秒，之后暂停工作；

所述发动机进气预热系统工作6分钟，之后暂停工作；

所述启动机工作不超过45秒，直至车辆的发动机启动成功。

3)所述大功率柴油机是400KW功率的水冷发动机，所述环境温度为-41℃，所述发动机进气预热系统的额定功率为6KW，所述发动机进气预热系统和所述启动机根据所述控制指令进行如下顺序操作：

所述发动机燃油锅炉预热系统开始持续工作，与此同时，所述发动机进气预热系统工作2分钟；

所述启动机工作30秒，之后暂停工作；

所述发动机进气预热系统工作2分钟，之后暂停工作；

所述启动机工作45秒，之后暂停工作；

所述发动机进气预热系统工作4分钟，之后暂停工作；

所述启动机工作不超过45秒，直至车辆的发动机启动成功，此时所述发 动机燃油锅炉预热系统将发动机冷却水的水温预热为-20℃。

4)所述大功率柴油机是400KW功率的水冷发动机，所述环境温度为-41℃，所述发动机进气预热系统的额定功率为4KW，所述发动机进气预热系统和所述启动机根据所述控制指令进行如下顺序操作：

所述发动机燃油锅炉预热系统开始持续工作，与此同时，所述发动机进气预热系统工作4分钟；

所述启动机工作30秒，之后暂停工作；

所述发动机进气预热系统工作4分钟，之后暂停工作；

所述启动机工作45秒，之后暂停工作；

所述发动机进气预热系统工作10分钟，之后暂停工作；

所述启动机工作不超过45秒，直至车辆的发动机启动成功，此时所述发动机燃油锅炉预热系统将发动机冷却水的水温预热为20℃。

5)所述大功率柴油机是400KW功率的水冷发动机，所述环境温度为-41℃，所述发动机进气预热系统的额定功率为2KW，所述发动机进气预热系统和所述启动机根据所述控制指令进行如下顺序操作：

所述发动机燃油锅炉预热系统开始持续工作，与此同时，所述发动机进气预热系统工作6分钟；

所述启动机工作30秒，之后暂停工作；

所述发动机进气预热系统工作6分钟，之后暂停工作；

所述启动机工作45秒，之后暂停工作；

所述发动机进气预热系统工作16分钟，之后暂停工作；

所述启动机工作不超过45秒，直至车辆的发动机启动成功，此时所述发动机燃油锅炉预热系统将发动机冷却水的水温预热为60℃。

其中，作为示例，所述发动机燃油锅炉预热系统加热冷却液，并使其在发动机缸体内循环，用于对发动机的缸体进行加热，并在油底壳内布置管道，让经过加热的冷却液在管道内循环，用于对机油进行加热。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基 础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。