发动机低温冷启动实施方案研究

测试工具2021.10

燃料电池系统-30°C冷启动防水淹策略研究

吴炎花，林业发(上海电气集团股份有限公司中央研究院，上海，

201600 )

摘要：

为了解决燃料电池系统在

-3(rc

低温冷启动过程中，燃料电堆快速拉载到高功率与电堆拉载过程产生的水结成冰

覆盖造成局部水淹甚至反极击穿的强耦合性，提出了一种自适应控制空气量、氢气循环量以及热管理的防水淹冷启动控

制策略。在冷启动过程中，该策略以电堆平均单节电压为调节目标，通过闭环调节空气供应量、氢气循环量

、电堆电流、

热

管理系统流量及加热量，控制策略再根据电堆最低单体电压为自适应控制影响因子，改进空气供应量、氢气循环量以及 电堆电流。考虑电堆实际-309低温运行环境，搭建燃料电池低温系统测试平台，

将传统低温冷启动控制策略与自适应

防水淹控制策略的进行实验对比。结果表面，防水淹冷启动控制策略及时处理燃料电池局部水淹造成的单低现象，还快 速恢复燃料电池性能，缩短冷启动时间

。

关键词：

燃料电池系统；冷启动技术

；控制策略优化

Research on water flooding

prevention strategy

of

fuel

cell system

at - 30 °C cold start

Wu Yanhua,

Lin

Yefa

(Centr&l Research Institute of Shanghai Electrie Group Co., Ltd., Shanghai, 201600)

Abstract： In order to solve the strong coupling of the fuel cell system during the cold start of

the

fuel cell system at a low temperature of 一30° C, the fuel cell stack is quickly loaded to high power

汽车寒区试验计划书引言汽车寒区试验是为了验证汽车在极寒环境下的性能和可靠性而进行的一项重要实验。

寒冷天气对汽车的各项指标和部件都会产生不同程度的影响，比如动力系统、制动系统、轮胎、悬挂系统等。

准确评估汽车在寒冷环境下的表现，对于改善汽车的性能和提高用户体验至关重要。

本试验计划旨在通过一系列实验，全面评估汽车在寒冷气候条件下的性能和可靠性。

试验目标1.评估汽车在低温环境下的动力性能表现（如发动机启动、加速、冷启动等）。

2.评估汽车在低温环境下对制动系统的影响，包括刹车距离、制动反应时间等。

3.评估汽车在低温环境下的悬挂系统表现，包括悬挂系统的舒适性、操控性等。

4.评估汽车在低温环境下的电池寿命和电池性能。

5.评估汽车在低温环境下的驾驶辅助系统表现，如车身稳定性控制、雪地驾驶等。

6.评估汽车在低温环境下的零部件可靠性和耐久性。

试验内容1. 动力性能试验1.1 在低温环境下进行发动机的冷启动试验，记录每次启动的时间和启动是否顺利。

1.2 在极寒条件下进行加速试验，分别测试不同速度段下加速的表现，并记录加速时间和动力输出表现。

2. 制动系统试验2.1 在低温冻结路面上进行制动距离试验，记录常规制动和紧急制动的距离。

2.2 测试制动系统在低温环境下的反应时间，记录踩下制动踏板到车辆完全停止的时间。

3. 悬挂系统试验3.1 在低温环境下测试悬挂系统的舒适性表现，记录车辆行驶过程中的颠簸感和舒适度。

3.2 测试悬挂系统在低温下的操控性能，包括转向的准确性和稳定性，记录悬挂系统的表现。

4. 电池寿命和性能试验4.1 在极寒环境下进行电池充电和放电试验，记录电池的续航里程和电池损耗情况。

4.2 测试电池在低温环境下的性能表现，包括电池的充电速度和放电速度。

5. 驾驶辅助系统试验5.1 在低温下测试车身稳定性控制系统，在结冰路面上进行操控试验，记录系统的反应和操控表现。

5.2 在雪地路面上进行驾驶辅助系统的试验，包括牵引力控制、车身稳定控制等，记录系统的表现。

低温差斯特林发动机的研究与制造摘要：介以斯特林热力循环为理论基础，设计并制造一种外燃式低温差条件下工作的斯特林发动机。

通过机加工工艺及3D打印技术的途径，设计并制造相关零部件，最终制造出以清洁能源为动力的斯特林发动机，并将其应用到实际的生活和生产中以实现清洁能源的收集和废热的再利用。

关键词：清洁能源斯特林循环斯特林发动机低温差21世纪我们面临着资源困乏，环境污染严重的社会现状。

随着全球能源危机的发展与环境的恶化，人们清楚地认识到开发利用新能源的重要性。

该文介绍了一种外部燃烧(加热)的封闭式活塞发动机，其优点有噪音低、效率高、污染小、维修方便和燃料来源广等。

该发动机可以作为一种高效的、清洁的动力机应用在多个领域中，并且在环境保护、节能减排方面有着重要的意义。

斯特林发动机的燃料来源广、对燃料的适应性强，不仅可以使用天然气、石油、煤等作为能源，还可以使用化学能、原子能、太阳能以及燃烧秸秆、木材等农林废弃物时产生的热能。

另外，斯特林发动机具有很高的热效率，理论上来说，斯特林循环效率和同等状态下的卡诺效率相等。

该课题就是计并制造一种外燃式低温差条件下工作的斯特林发动机，利用太阳能或者其他废热来驱动斯特林发动机，再给其配上发电装置实现的输出，目前制造出来的原型机功率最大可以达到2W，可以实现为手机等移动设备充电。

1、设计及原理1.1 斯特林循环斯特林发动机包括冷腔(压缩腔)、冷却器、热腔(膨胀腔)、回热器、加热器5部分。

冷腔和冷却器是循环的低温部分，一般称为冷区。

热腔和加热器是循环的高温部分，称为热区。

斯特林循环的工作流程为：首先把工质密封在闭合回路中，随后通过活塞运动使回路进行流动。

理想的循环是回热器中的等容冷却过程、膨胀腔中的等温膨胀过程、回热器中的等容加热过程、压缩腔中的等温压缩过程。

(见图1、图2)由此可见，热气机的理想循环是由两个定温过程和两个定容过程组成。

斯特林循环也是概括性卡诺循环的一种，其热效率1.2 动力输出装置此部分是用来收集斯特林发动机所输出的动力，在本项目中采用发电装置来收集动力。

^jm 11】汽车工程师Automotive EngineerFOCUS 技术聚焦Automotiiv E ngineer^摘要：质子交换膜燃料电池低温冷启动被认为是影响燃料电池汽车商业化的主要因素之一。

文章根据某款燃料电池车型开发目标需求，对匹配的120 kW 大功率燃料电池在-30。

"低温启动热平衡初步分析，基于电堆外加热控制策略，经初步 匹配计算，在理想情况下需要13 min 才能启动，为拟开发目标设定提供了依据。

文章对开发大功率燃料电池乘用车具有 参考意义。

关键词:大功率燃料电池；低温冷启动；计算分析Analysis of Cold Starting Performance of High Power PEMFC used for VehicleAbstract ： Low temperature cold start of PEMFC is considered to be one of the main factors affecting the commercialization offuel cell vehicle. In this paper,according to the development target demand of a fuel cell vehicle, the preliminary analysis of the heat balance of the matched 120kw high-power fuel cell at 一30°C is conducted. Based on the heating control strategy outsidethe stack, the preliminary matching calculation shows that it takes 13 minutes to start under ideal conditions, which provides the basis for the target setting of the proposed development. This paper has reference significance for the development of high-power fuel cell passenger vehicle.Key words : High power PEMFC; Start-up at low temperature; Analysis质子交换膜燃料电池(PEMFC )相比传统内燃机, 拥有其特有优势h ,PEMFC 的高效率、高比功率、零排 放及响应快速等特性使其成为未来汽车领域最有潜力的动力源45;、车用PEMFC 在商业化进程中，冷启动困 难或启动时间过长是主要制约因素之一6目前，国内 外车型对燃料电池发动机冷启动能力进行了大量实验,国外相关车型已量产且技术相对成熟3w,国内大多从实际运行情况来看，在低温启动方面的技术称不上很好，如表1所示。

专家教你搞定冬季低温发动机启动难
严寒的冬季悄然来临，虽然自驾出行给人们的生活带来了不少便利，但不可忽视的是冬季低温时，汽车停放时间一长，发动机启动较为困难。

这是什么原因造成的呢？
带着这个问题，小编走访了郑州某汽修学校的专家，专家分析说，冬季低气温下，引起汽车发动机启动难主要有以下原因：
（1）因气温低，燃油的气化率下降，混合气变稀而不易燃烧造成起动困难。

（2）因气温低，机油粘度变大，发动机运转阻力增加而造成起动困难。

（3）因气温低，蓄电池电解液的化学反应慢，造成起动时输出的电量不足而使起动机功率不足和点火电压不足，使发动机难以起动。

找到了故障原因，又该怎么排除呢？别急，专家教你几招，保证管用。

专家提醒大家说：汽车在寒冷的季节起动之前应先对发动机进行预热。

可向水箱和水套中灌注热水或蒸气，利用水套中的温度传导至气缸壁，使起动时进入气缸中的燃油易于气化，并可提高可燃混合气的温度，以便利于燃烧。

如果气缸预热后仍不能起动，在发动机结构允许的条件下可先用手摇转发动机曲轴若干转，使机油预先进入润滑部位再起动。

还可根据需要对蓄电池进行预热以增强蓄电池的电量，提高起动电流和点火电压。

希望以上的知识能为广大车主朋友提供帮助，想要了解更多汽修知识，请关注郑州万通汽修学校官方网站。

怎样解决在北方冬季汽油机油使用不易启动问题？
北方到了冬季爱车们也许会遇到过车辆不易启动的问题，那么为什么车辆在北方冬季不易启动？中山天富专家---马希福：介绍到北方冬季气温低，发动机润滑油粘度大，曲轴旋转阻力矩增大，从而导致发动机转速低，进气流速低，加上气温低，汽油机油不容易由液体变为气体，在-12摄氏度时进入发动机的汽油仅有4%到10%变成气体，不能形成可以在气缸内燃烧的可烯混合气（达不到没看油的着火下限），不能着火燃烧，因而车辆不能启动。

此外低温下蓄电解液粘度增大，向极板渗透能力下降，内阻增大，电瓶端电压下降，输出功率减少，以致启动机无力拖动发动机旋转或不能达到最低的启动转速。

火花塞点火能量也较小，不能点燃混合气，平常使用的汽油，公能满足汽车在—10摄氏度以上的汤温下顺利启动。

如何解决车辆在北方冬季的启动问题？
在寒冷地区的汤车最好是将汽车停放在保暖车库，发动机启动问题就迎刃而解了。

对于露天停放的车辆，发动机冷启动可采取如下措施：
1.，使用多级汽油机油。

多级汽油机油低温性好，其低温粘度等级号有
0W ,5W ,10W ,15W. 20W,25W五种规格，它们相应的最低工作温度分别为 -35
摄氏度，-25摄氏度，-20摄氏度，-15摄氏度，-10摄氏度：
2.采用预热进气系统，以提高发动机进气温度，改善燃油雾化：
3.加热气缸体水套，以提高气缸内温度，改善燃烧过程
4.在严寒地区应采用电瓶加热保温箱，防止电瓶电解液温度过低而导致输出功率过低，保证向电瓶正常充电
5.对进气系统喷入启动汽油，以改善混合气质量。

低温对发动机启动的影响摘要：讲述发动机启动的必要条件，分析低温对发动机启动的影响，并提出改善低温启动性能的措施。

关键词：发动机低温启动一、发动机启动的必要条件发动机的启动是指发动机曲轴在外力的作用下开始转动，直到发动机开始由静止到怠速运转的全过程。

实现这一过程，必须具备一定条件。

1．必须供给足够大的启动力矩’发动机启动可分为两个阶段，曲轴从静止状态过渡到被动转速，保持这一转速到发动机着火启动。

若要完成上述两个阶段，保证发动机顺利启动，必要克服发动机曲轴旋转时的各种阻力(摩擦阻力、汽缸内压缩气体的反作用力、运动部件的惯性等)。

所以从外部施加到发动机曲轴上的力矩。

必须克服全部阻力矩之和。

2．必须供给足够高的启动转速为了保证发动机迅速可靠地启动，对于汽油机，必须在压缩行程终了、点火之前，在汽缸中形成能够着火的可燃混合气；对于柴油机，要求压缩终了时的空气温度比柴油的自燃温度高200℃以上。

为了达到上述条件，要求启动转速足够高，一般要求汽油机最低曲轴转速50-75 r／min，柴油机为600-800r／min。

二、低温对发动机启动的影响发动机的启动，特别是低温条件下能够迅速可靠的启动，二提高发动机工作可靠性、降低启动磨损、减少燃油消耗和提高发动机的刚性都有重要关系。

而低温是影响发动机启动的重要因素，分析如下：1．低温使柴油黏度增大从机油的黏度特性可知，柴油的黏度随温度的降低而增大。

柴油黏度越大，启动阻力就越大。

柴油动力黏度增大时，曲轴旋转阻力增大，发动机启动转速降低。

2．低温使燃油气化不良燃油对发动机启动性能的影响主要是其蒸发性。

当温度降低时，汽油的粘性和密度就增大，当温度从40℃降至零下10℃时，汽油的黏度提高了75％密度增人了6％，这样就使汽油的流动性变差，雾化不良。

加上低温机件本身的吸热作用，影响了混合气的温度，对燃油气化是不利，致使大部分燃油以液态进入汽缸，造成实际混合气过稀，发动机不易启动。

3．低温使蓄电池端电压下降、火花塞不易跳火蓄电池在启动构成中主要影响启动机丰H矩和火花塞的跳火能量。

极地救生艇耐低温性能研究及试验方法陈智同;张祎;郭江;管义锋【摘要】为了解决国内已研发的救生艇不能满足极地环境温度(小于或等于-50℃)下的设计和制造规范的问题,设计制造了适合极地低温环境的极地救生艇样机.研究了样机的耐低温性能,包括发动机的低温启动性能、艇钩装置的低温释放能力、门和舱盖的开启能力等,并进行了必要的低温环境(-50℃)试验验证.试验结果显示:救生艇样机的发动机、艇钩装置、门和舱盖以及驾驶窗能够在极地环境温度下正常工作,从而保证了极地救生艇在极地低温环境下具备正常的救生能力,以期为同类产品的开发提供借鉴.【期刊名称】《江苏船舶》【年(卷),期】2018(035)005【总页数】4页(P6-8,22)【关键词】极地救生艇;低温性能;试验研究【作者】陈智同;张祎;郭江;管义锋【作者单位】江苏科技大学海洋装备研究院,江苏镇江212003;江苏中智海洋工程装备有限公司,江苏镇江212003;江苏科技大学船舶与海洋工程学院,江苏镇江212003;江苏中智海洋工程装备有限公司,江苏镇江212003;江苏科技大学船舶与海洋工程学院,江苏镇江212003【正文语种】中文【中图分类】U674.230 引言近年来，随着海洋经济和极地能源开发及北极航道的不断发展，海洋能源开发对海洋工程装备的需求也日益增加，深水和极端寒冷海域的石油开采及运输已成为可能。

极地科学考察船、北极穿梭油船、极地钻井船等极地船舶由于常年穿行于地球最寒冷的区域，因而必须能适应极其恶劣的海域气候，如：巴伦支海的最低温度可低至-45 ℃，一年中有210～290 天海面上覆盖着1.5 m厚的冰层[1]，冰层上还有20 cm厚的积雪。

极地水域地理位置独特，环境条件特殊，因结冰和低温环境，导致船舶稳性减弱、管路冰冻、航行设备失效和船员执行力下降及其他不可低估的因素，从而降低了船舶航行的安全性。

当船舶遇险时，救生艇能使船上人员迅速安全撤离并在海上维持生命，是船舶法定安全设备，其性能和状况一直以来受到高度关注[2]。