装甲车辆低温起动试验研究

装甲车辆低温起动试验研究
缑宇翔; 刘立盟; 张保军
【期刊名称】《《环境技术》》
【年(卷),期】2019(000)0z2
【总页数】4页(P56-59)
【关键词】低温试验; 低温起动; 柴油机
【作者】缑宇翔; 刘立盟; 张保军
【作者单位】中国北方车辆研究所北京 100072
【正文语种】中文
【中图分类】TJ81.6
低温起动试验是考核装甲车辆整车环境适应性能指标的关键性试验，且也是目前大部分装甲车辆所必须面对的一大难题。

在低温环境下，装甲车辆起动性能受多种因素影响，主要包括车辆油液品质、起动电机功率特性、起动阻力、起动电池性能、发动机低温起动能力、加温器加温性能、加温系统效率等。

考核装甲车辆低温起动性能，并以此开展低温起动试验过程数据准确检测和故障分析，是改进车辆整体设计、提升产品可靠性的必要基础。

低温起动试验是坦克装甲车辆型号项目在研制、定型、生产等阶段都要重点关注的试验项目，但目前还存在以下问题：
1）试验前缺乏完善的技术或试验方案，试验中没有可执行的标准化操作流程，试
验后对故障问题必要的分析、归纳和总结不足；
2）检测手段单一，无法提供详细的过程检测数据，对起动性能评价和故障精确定位能力不足，不能支撑系统优化和改进；
3）试验数据缺乏有效积累，大量试验数据没能得到充分利用，数据的存储缺少目的性、完整性等。

开展装甲车辆低温起动试验研究，旨在提升装甲车辆低温起动性能。

通过丰富检测手段，不断积累试验数据，使整车低温起动试验规范化、标准化、科学化，降低反复多次试验所消耗的资源，提高试验效率和质量，为车辆优化和改进设计提供依据和支撑。

1 低温起动试验方法现状
1.1 现有试验方法分析
国军标GJB 59.3-1987《装甲车辆试验规程起动性能试验》 [1]由于是早期的标准，标准里面所述的试验技术方法相对较落后。

国标GB/T 12535-2007《汽车起动性能试验方法》[2]针对的是通用汽车，不适用于装甲车辆，并且试验条件不够苛刻。

美国陆军标准TOP 2-2-650《Engine Cold-Starting and Warm-Up Tests》[3]
中包含装甲车辆低温起动试验的相关内容，重点规定了试验所需条件：包括车辆及测试前的准备工作、加温器检查、试验间条件、试验温度控制等；另外重点规定了三种类型试验的试验步骤，这三种试验类型分别为带加温器的低温起动、不带加温器的低温起动和加温器待机状态下的低温起动；此外还规定了试验数据的记录及展现方式等。

兵器行业标准WJ 20469-2018《装甲车辆台架试验方法低温环境试验室装甲车
辆低温起动性能试验》[4]为基于国内装甲车辆低温起动试验开展的现有状况，对
以往试验进行归纳总结，在试验设备及仪器仪表、试验前准备、试验步骤、数据测试点及记录表格等方面做出了规定，对推进试验标准化有积极作用。

TOP 2-2-650和WJ 20469-2018这两个试验标准对指导装甲车辆低温起动试验均非常实用，且在很多地方可以互补。

例如，美军标对蓄电池的试验前检查描述地非常详尽，试验前加温器的检查也有其特殊的考虑，而兵器行业标准在对试验中加温器的工作步骤表述更为具体详细，另外评价方式也更符合国内通常的做法。

两个标准都注重对低温起动试验准备、条件、程序、数据记录的规定，但都没有指出该如何应用测试数据进行更为详细的分析评价，特别是车辆不能成功起动时该如何去定位故障点。

1.2 对现有试验技术的完善
在现有装甲车辆低温起动试验的开展满足相关标准化要求的条件下，增加检测手段及检测点对所用影响车辆起动过程的数据进行采集、监测，并在试验后进行分析总结，是解决车辆低温起动成功这一难题的必要途径，也是对试验方法、标准的必要补充。

2 低温起动相关因素
2.1 影响车辆低温起动的主要因素
影响装甲车辆低温起动的主要因素包括：发动机性能、加温系统性能、起动电池性能、起动电机特性、燃油特性、润滑油特性等。

加温系统性能评价主要看加温器效率，加温系统运行时间。

增加的测试数据为冷却液温度及冷却液流量，一般考虑测试加温器进、出口的冷却液温度；冷却液流量的测量采用超声波式的流量计，可不破坏冷却液管路。

燃油、润滑油的选用一般都符合低温起动试验的要求，特性值不会有太大差异，一般可记录作为参考数据。

发动机性能、起动电池性能、起动电机特性决定了柴油发动机低温起动是否成功，而柴油发动机的起动性能是决定装甲车辆低温起动的最关键、最主要因素。

2.2 柴油机低温起动分析
影响柴油发动机起动性能的因素有很多，这些因素与蓄电池容量、起动电机特性、发动机特性、发动机自燃以及燃烧过程等息息相关。

起动过程中，影响发动机特性的因素有起动转矩、发动机磨损以及活动件惯性；影响发动机自燃的因素有压缩冲程末期的空气压力、空气温度以及燃油十六烷值；影响发动机燃烧过程的因素有燃油喷射量、燃油挥发性以及燃烧反应速率；而作用在发动机曲轴上的净驱动转矩取决于起动机转矩、（缸内）气压力矩和发动机的摩擦力矩。

利用以下四种变量相互之间的关系来判断发动机是否起动成功[5]：
1）发动机转速与曲轴上净驱动转矩之间的关系；
图1 影响装甲车辆低温起动的相关因素
2）滞燃期与发动机转速之间的关系；
3）气压力矩与滞燃期之间的关系；
4）起动机转矩与气压力矩之间的关系。

3 发动机低温起动模型
3.1 单缸发动机
如图2所示，给定起动机转矩S1、S2，得到相应的发动机转速b1、b2。

在转速b1下，对应滞燃期为c1；c1的滞燃期决定了发动机此时的气压力矩为d1，此时气压力矩d1不能大于发动机自身产生的力矩损失，则发动机起动失败；在转速b2下，分别相对应滞燃期为c2，气压力矩d2，此时有两种情况：
1）起动机关闭。

此时气压力矩d2对应产生的作用在曲轴上的净驱动转矩不大于S2，起动失败。

2）起动机继续运行。

气压力矩d2对应产生的作用在曲轴上的净驱动转矩，叠加上起动机转矩S2，使发动机加速至转速b3，相对应滞燃期c3、气压力矩d3。

同样的情况，直到叠加后的转矩大于S2，此时起动机关闭后，发动机仍可运行，则起动成功。

环境温度降低，由于蓄电池放电速率降低和润滑油有更高的黏度，发动机转速相应会下降；更低的压缩温度导致更长的滞燃期[6]；由于更高的传热损失、更低的蒸
发速率和燃烧反应速率，气压力矩相应会减小。

不考虑摩擦，气压力矩与起动转矩成线性直线关系，否则为曲线关系；且由于发动机转速升高，会导致摩擦力矩增大，相应地气压力矩与起动转矩关系曲线发生平移。

十六烷值较低的燃油需要更大的起动转矩。

如图2所示，对于十六烷值为C.N.1
和C.N.2（C.N.1＜ C.N.2）的两种燃油，起动转矩同为S，前者可以起动成功，
而后者则起动失败。

图2 单缸发动机（不考虑摩擦）起动性能模型图
如图3所示，当气压力矩作用在曲轴上产生的净驱动转矩大于S时（即d2e2＞S），起动电机关闭，发动机转速加速至b3，此时发动机电控控制燃油喷射量减
小至mg，发动机转速相应地降至Ng。

图3 单缸发动机（考虑摩擦）起动性能模型图
3.2 六缸发动机
如图4所示，发动机打火后初始转速为N1，如果第一缸着火后使发动机转速加速至N2，下一缸着火使转速加至N3，以此类推，直至发动机电控被激活，起动电
机关闭，燃油喷射量减小至mg，发动机转速降为Ng。

很显然，最困难的是打火后第一气缸着火。

4 试验验证
后续工作开展需要制定详细的测试方案，针对所有测点都要有恰当的测试方法。

通过实际低温起动试验进行数据积累，对试验数据进行处理、分析后，建立起模型，对低温起动失败的进行故障分析，并建立装甲车辆低温起动试验故障分析数据库，便于后期对低温起动试验中发生的故障进行定位，同时不断优化完善低温起动模型。

图4 六缸发动机起动性能模型图
4.1 发动机测试
发动机端一般可考虑测试发动机的转速、输出转矩等；除此之外，还考虑记录发动机起动瞬间的进气温度、进气压力、燃油喷射量、燃油喷射时刻等。

发动机的相关数据可通过车辆的CAN总线进行采集记录，或可考虑制作特殊的传感器进行直接测量。

滞燃期的确定需要实测缸内压力、温度、瞬时容积随曲柄转角的变化，并且与燃油的特性、环境温度等相关，因此需要做专项试验验证，试验结果可作为之后车辆低温起动试验的基础数据。

4.2 起动电机测试
起动电机端一般可考虑测试起动电机的转速、输出的转矩等。

该处测试的技术难点在于如何在不破坏整车状态的情况下进行数据采集。

起动电机的转速、转矩若不方便测量，可考虑通过测试起动电池的起动电压、起动电流，然后计算后间接得出；在此之前，可进行专项试验验证，单独对起动电机、发动机进行测试，摸清起动电机端和起动电池端，它们之间存在的相互关系。

4.3 起动电池测试
起动电池端一般考虑测试起动电压、起动电流，另外还需对电池电解液比重进行测试并记录。

以往试验经验表明，可通过对起动过程中的起动电流进行分析处理，得出起动电机转速；结合起动电压进行分析，可得出电池在初始起动瞬间的最大输出功率等。

建议采样频率在1 kHz以上。

4.4 加温系统测试
加温系统端一般考虑测试冷却液进、出口温度以及冷却液流量等，同时可考虑测试加温器起动时相关数据。

通过对冷却液温度、流量的测试，可计算出加温系统的加温效率，并以此来对加温系统做出评价。

5结束语
本文对装甲车辆气温起动试验进行了初步的分析和研究。

从现有低温起动试验标准
入手，结合开展低温起动试验时对故障定位、过程数据检测的需求，充分考虑现有试验测试条件，提出了一些改进和完善的想法，并对柴油发动机低温起动模型进行了阐述。

由于相关测试方法及柴油发动机低温起动模型还缺乏实际试验验证，后期还需要在对低温起动试验的相关数据进行分析、整理，测试模型的正确性，并应用于后续低温起动试验。

参考文献:
【相关文献】
[1]GJB 59.3-1987, 装甲车辆试验规程起动性能试验[S].
[2]GB/T 12535-2007, 汽车起动性能试验方法[S].
[3]TOP 2-2-650, Engine Cold-Starting and Warm-Up Tests[S].
[4]WJ 20469-2018, 装甲车辆台架试验方法低温环境试验室装甲车辆低温起动性能试验[S].
[5]N. A. Henein. Diesel Cold Starting: A Phenomenological Model. ASME Energy-Sources Technology Conference, 1993.
[6]罗响亮, 任自中. 柴油机滞燃期的确定方法及试验验证[M]. 柴油机,2006, 28(1):16-18.。