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。
蓝曲线表示发动机在各温度点的最低起动转速，红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
SAE 粘度等级
最高低温动力粘度
最高边界泵送温度（℃）
100℃运动粘度（mm2/s）
使用温度
（℃）
粘度mPa.s不大于
温度（℃）
最小
最大
0W
3250
-30
-35
3.8
－
-40～-10
5 W
3500
-25
-30
3.8
－
-30～-10
10 W
3500
-20
-25
4.1
－
-20～-10
15 W
3500
-15
-20
5.6
－
-15～20
20 W
4500
-10
-15
5.6
－
-10～20
25 W
6000
-5
-10
9.3
－
-5～30
20
－
－
－
5.6
＜9.3
-10～30
30
－
－
－
9.3
＜12.5
0～40
40
－
－
－
12.5
＜16.3
20以上
50
－
－
－
16.3
＜21.9
30以上
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。
                 
表2 温度对硫酸溶液电阻率的影响
温度（℃）
30
20
10
0
-10
柴油发动机-20
-30
-40
电阻率（Ω.cm）
1.140
1.334
1.602
1.998
2.600
3.570
5.290
8.390
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。
                    表3 蓄电池容量与温度及放电率的关系
温度（℃）
27
15
4
-7
-18
-29
-41
-51
20h放电率
100
90
77
63
49
35
21
9
20min放电率
46
39
31
24
16
9
1
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。