7.2 汽车在低温条件下的使用
汽车在低温条件下使用的主要问题是发动机起动困难和总成磨损严重。此外，还存在着机件损坏、腐蚀、总成热状态不良、燃料润滑油消耗增大，以及轮胎强度减弱、行车条件明显变差等问题。
7.2.1 发动机的低温起动
发动机的起动性能通常用发动机在某温度下能起动的最低起动转速表示该温度下的起动性能，并用能起动发动机的最低温度表示其低温起动性能。不同的发动机其起动性能有所差别，这主要与发动机类型、燃烧室形状和设计、工艺水平有关。在使用过程中，发动机的低温起动性主要受发动机润滑油黏度、汽油或柴油的蒸发性、柴油的低温流动性及蓄电池工作能力的影响。
汽油机的起动性能比柴油机要好，即使在低温条件下，采取一些简单的措施，比如进气管预热、油底壳中机油预热、注意低温条件下蓄电池的保温等，低温起动并不困难。由于柴油发动机的压缩比高、起动阻力矩大、起动转速高等特点，柴油机在低温起动时，一般必须采取一定的措施，设置一些辅助装置来改善柴油机的起动性能。
图7－2 发动机冷起动过程
发动机冷起动过程包括图7－2所示的四个阶段:预热期、起动期、平滑运转期和升温期。
预热期，是指对进气管加热直到能够进行起动发动机的时间。
起动期，是指用起动机带动发动机运转的时间，其中包括起动机啮合后发动机间断地着火时间。
平滑运转期，是指在起动机脱开以后到发动机能够平滑运转(无回火)的时间，在此时间内还不能带动负荷。
升温期，是指达到平滑运转到发动机能带动负荷的时间。对于柴油机来说，在完成升温的时间时，所有的加热辅助装置，都要予以关闭。
如上所述，发动机的起动与起动转速有很大关系，而起动转速主要受起动阻力的影响。曲轴在起动时的旋转阻力包括:气缸内被压缩的可燃性混合气(或空气)的反作用力;运动部位的惯性力;各摩擦副的摩擦阻力等。对于结构一定的发动机，前两种阻力在温度降低时变化不大，而后者在低温条件下，主要取决于润滑油的黏度。即发动机曲轴旋转阻矩和起动转速在低温条件下主要受润滑黏度的影响。在摩擦阻力中，活塞与气缸、曲轴各轴承的摩擦力是主要的，约占起动摩擦力的60%以上。
图7－3 发动机润滑油随温度下降所需起动功率增加情况
随着温度的下降，机油的内摩擦力增加，发动机的阻力矩增加，使发动机起动所需要的功率增加。图7－3表明SAE30、SAE20W、SAE10W三种黏度的发动机润滑油，随着温度下降使某发动机起动所需要功率增加的情况，使用低黏度润滑油所需要的起动功率相对增幅较小。例如，在－23.3℃温度下，使用SAE10W润滑油只需3.7kW的起动功率，使用SAE20W则需7.4kW，而使用SAE30竟增加到11.8kW。其原因是SAE10W比其他两种润滑油的低温黏度小。在－18℃时SAE10W的动力黏度最大只有2500mPa·s，而在相同温度下，SAE20W的动力黏度却高达10000mPa·s。
燃料对发动机起动性能的影响主要是其蒸发性。汽油的蒸发性特别是10%的馏分温度影响发动机的起动性。10%的馏分温度越低，起动性能越好。随着温度的降低，汽油的黏度和相对密度增大，如图7－4所示。从+40℃到－10℃汽油的黏度提高76%，相对密度提高6%。这样，汽油供油管路中的流动性变差。
1－黏度曲线 2－相对密度曲线
图7－4 汽油的黏度、相对密度与温度的关系
燃油的汽化与温度及进气流速有关。试验表明，气温－30℃和进气流速40m/s(相当于发动机以最大功率工作)时，汽油汽化量为59.5%;气温为零度和进气流速为10m/s时，汽化量只有31%;发动机起动时流速一般不超过3～4m/s，气温在0℃～12℃时，只有4%～10%汽化。低温时，发动机机件的吸热作用影响混合气的温度，对燃油的汽化不利，大部分燃料以液态进入气缸，造成混合气过稀，不易起动。要改善燃料汽化量，主要在于提高进气管温度。
蓄电池在起动过程中主要影响起动机的起动转矩和火花塞的跳火能量。
在低温条件下，蓄电池电动势E变化不大，即环境温度有较大变化时，蓄电池的单格电压下降并不多。但是，随着温度的降低，蓄电池的电解液黏度增大，向极板的渗透能力下降，内阻增加;同时，起动时的电流很大，从而使蓄电池的端电压及容量明显下降。所以在低温起动时，蓄电池输出功率下降，导致起动机无力拖动发动机旋转或不能达到最低起动转速。
低温起动时，由于蓄电池电池端电压低，火花塞的跳火能量小，使发动机起动困难。此外，火花弱的原因还有:冷的可燃混合气密度大使电极间电阻增大;火花塞有油、水及氧化物等。
7.2.2 低温对汽车总成磨损的影响
发动机的磨损不仅在冷起动时严重，而且在起动后尚未达到正常温度之前，磨损强度一直很大。图7－5表明，东风EQ1090型汽车发动机气缸壁温度对气缸壁和活塞环磨损的影响。
1－气缸 2－活塞环(第一道环)
图7－5 发动机气缸壁和活塞环磨损与气缸壁温度的关系
发动机低温起动时气缸壁磨损严重的主要原因为:在起动过程中，气缸壁润滑条件差;冷起动时，大部分燃料以液态进入气缸，冲刷了气缸壁的油膜;汽油的含硫量对气缸壁磨损的影响也很大，这是由于汽车在燃烧过程中产生的氧化硫与凝结在气缸壁上的水滴化合成酸引起腐蚀磨损所致。
为此，在低温条件下使用的汽油含硫量不应大于0.1%。汽油含油量与气缸壁磨损的关系如图7－6所示。
图7－6 汽油含硫量与气缸壁磨损的关系
轴和轴瓦磨损严重的主要原因为:
(1)低温起动时，润滑油黏度低，流动性差，机油泵不能及时地将润滑油压入曲轴颈的工作表面，使润滑条件恶化。
(2)润滑油被窜入曲轴箱中的燃料稀释;燃料不完全燃烧而形成的碳化物也会同非废气一起窜入曲轴箱污染润滑油。
(3)在低温条件下，由于轴瓦的合金、瓦背与轴颈的膨胀系数不同，使配合间隙变小，而且很不均匀，加速了轴颈与轴瓦的磨损。
传动系总成(变速器、主减速器和差速器等)的正常工作温度是靠零件摩擦和搅油产生热量保证的，这种温升速度很慢。例如，解放CA1090型汽车传动系总成中的油温为－10℃时，汽车需要行驶6km油温才能升到10℃～15℃。此时，齿轮和轴承仍得不到充分的润滑，从而使零件磨损增大。研究表明，汽车主减速器齿轮和轴承在－5℃的润滑油中，比在35℃的润滑油中运转磨损增大10～12倍。另外，传动系润滑油因低温而黏度增大，运动阻力相应增大，传动系各总成在起步后的很长一段时间内的负荷较大，使总成中传动零件的磨件加剧。
7.2.3 改善汽车低温使用性能的主要措施
发动机起动方法按其总成温度可分为冷态起动和热态起动。冷态起动是指发动机总成的温度与环境温度相同的条件下起动;热态起动是在发动机起动前进行预热(一般缸体温度高于40℃)，使其接近于常温下起动。
冷态起动可采用以下两种技术途径:一是提高发动机起动时的转速;二是降低发动机能起动的最低起动转速。
提高发动机起动时的转速措施有:
①使用大容量低温蓄电池。
②使用蓄电池加热保温箱。
③使用发动机低温润滑油。
④使用大功率起动电源(电动车);
⑤使用减压机构(柴油发动机)。
降低发动机能起动的最低起动转速的措施有:
①使用起动液。
②用于汽油机的汽油蒸发器(如切诺基213)、混合气加热器(如奥迪100)。
③用于柴油机的炽热塞、进气预热装置、喷入易燃燃料等。
上述措施的合理使用，可使汽油机或柴油机在－40℃气温下顺利起动，这对于一些专用车辆，特别是军用汽车是十分重要的。但是，发动机冷态起动比热态起动的起动阻力大，图7－8表明某发动机起动阻力与环境温度的关系，随着温度的降低，起动阻力的差别增大。
图7－8 发动机起动阻力与环境温度的关系
一般车辆在低温条件下使用时，应采取以下措施:
①车辆在低温条件下停放时，应采取防冻、保温措施，注意预防冷却系冻结。车辆冷却系统尽可能加注防冻液，其冰点应比使用地区的最低气温低5℃。
②车辆在使用前应预热，尽量使发动机在热态条件下起动。
③各总成和轮毂轴换用冬季润滑油(脂)，制动系换用冬季制动液。柴油机选用低凝点柴油。
④调整发电机调节器，增大发电机充电电流。注意保持蓄电池电解液的合适密度和蓄电池的保温。
⑤使用防冻液和起动液时，应掌握其正确使用方法。
⑥在冰雪路面行驶时，应采取有效的防滑措施。
⑦注意在雪路驾车适当间断性停车，闭目休息，或佩带有色眼镜，以防雪光伤眼和雪盲。
⑧注意做好日常防冻保温工作。高寒地区使用的车辆，雪路行驶容易溜滑，造成运行困难，应随时携带喷灯、三角木、镐锹等必备的防寒救急品;装置保温套、防滑链等必要的安全设施。
在寒冷地区，汽车的起动前预热一般采用热水、热蒸汽、热空气、电热器和红外辐射加热装置等。其中热水预热是应用最广泛的预热方式，热水预热可分为车外式和随车式两种。车外式热水预热装置的热水由锅炉加热至90℃～95℃，从散热器加水口灌入冷却系。由于散热器的冷却及节温器的闭塞作用使这种加热方法的效果较差。例如，为了保证起动可靠，在气温－10℃、－10℃～－20℃和－20℃以下时，消耗的热水量分别为冷却系容量的1.5倍、2倍、3～4倍。
在严寒地区，汽车发动机保温的目的是发动机在一定的热工况下工作，并随时可以出车。
在无车库条件下，一般主要对发动机保温，其次是蓄电池，只有在气温很低或承担某些特殊任务的车辆才进行油箱和驾驶室保温。
发动机的保温方法可采用百叶窗或改进风扇参数(叶片数目或角度)，也可以降低风扇转速或使风扇不工作(装离合器)。后一种方法不但减少了热量耗散，而且还减少发动机的功率损失。关闭百叶窗可减小流经散热器的空气流，但由于气流阻力大，风扇消耗的功率略有增加。
汽车发动机罩采用保温套是保持发动机温度状况的重要措施。这种常见的保温方法可以使汽车在零下30℃左右的气温下工作时，发动机罩内温度保持在20℃～35℃。停车后，也比无保温套的汽车发动机主要部位的冷却速度降低近6倍。
保温材料可以是棉质或毡质的，前者保温性能要好一些。用很薄的乙烯基带来密封汽车发动机罩也取得了良好的效果。
发动机油底壳除了采用双层油底壳保温外，还可以在油底壳的内表面用一层玻璃纤维密封。
提高蓄电池在低温条件下的输出功率，一般有两种方法:一是使用低温蓄电池;二是蓄电池保温。低温蓄电池的特点是使用薄极板来降低蓄电池的内阻，并加入一些活性添加剂。由于采用了薄极板，则在同样大小的蓄电池壳中的极板片数增加，与电解液的接触面积增大，使蓄电池容量增加，降低了内电阻，提高了蓄电池输出功率。
合理使用燃料与润滑油也是汽车在低温条件下的重要措施。低温下使用的燃料应具有良好的蒸发性、流动性、低含硫量，以利于低温起动和减少磨损。某些国家有专门牌号的冬季汽油和柴油，供汽车在严寒地区使用。
为了保证发动机在低温条件下直接起动(冷起动)，需要采用专门的起动燃料—起动液。起动液应具备下列条件:
①容易点燃(或压燃)，以保证发动机的起动可靠性。
②发动机起动后，工作稳定柔和。
③在起动过程中，发动机磨损要小。
乙醚(C2H5OC2H5)是起动液中的主要成分，这种液体的沸点仅34.5℃，40℃时的饱和蒸气压为122.8kPa(车用汽油在38℃时的饱和蒸气压都不大于66.66kPa)，因此乙醚具有很好的挥发性。同时，乙醚的闪点为－116℃，其蒸气在空气中达188℃时即可自行燃烧，起动液中的乙醚成分越多越好，但是乙醚含量过多会引起气缸压力的急剧上升，发动机的工作不柔和。为此，要把起动液中的乙醚成分控制在一定范围内(40%～60%)，并用一些其他易燃材料过渡，直至发动机的基本燃料(汽油或柴油)工作。
除了起动液的成分对发动机的起动可靠性和工作稳定性有直接影响外，起动液的加注方法也起重要作用。起动液的加注方法应根据发动机进气系统的结构，尽可能地将起动液呈雾状均匀地分配到各气缸中。为此，一般不采用将起动液掺入基本燃料通过供油系进入汽缸的方法，而是另设一套起动装置，如图7－9所示。
1－起动液罐 2－混合器 3－上盖 4－通针 5－空气管 6－起动液
7－起动液量孔 8－空气量孔 9－乳化管 10－喷嘴 11－打气筒
图7－9 起动液起动装置原理图
起动装置由打气筒、空气管、混合器、乳化管和喷嘴几部分组成。其工作原理是:在发动机起动前将装有起动液的起动液罐1放在混合器2中，并盖好，上盖3。起动时，压下通针4穿破小罐使起动液流入混合器的空腔内，由打气筒产生的压缩空气，经空气管5进入混合器的空腔里，然后空气和起动液分别通过空气量孔与起动液量孔以一定比例混合成乳化液，乳化液通过乳化管和喷嘴成为雾状进入发动机进气管。与此同时，起动发动机，雾化了的起动液和空气滤清器进来的空气(柴油机)或可燃混合气(汽油机)一起进入气缸。由于起动液易燃，保证了起动可靠，并促进基本燃料的燃烧。
没有上述起动装置的汽车，可以采用起动液压力喷射罐，喷射罐总容积的一半以上是起动液，剩下部分装有压缩氮气和氟利昂混合气体或用CO2气体，在常温下压力为800～900kPa，并保证在－40℃的条件下有一定压力，喷雾性能良好。使用时，可直接向进气管内喷射。其缺点是起动液用量不易控制，往往会引起发动机起动粗暴。
采用起动液进行冷起动时，可使发动机在－40℃或更低的气温下可靠起动。应当指出，这种起动方法，还需要与稠化机油和低温蓄电池相配合，以便使起动机能将发动机驱动到起动转速。
7.2.4 汽车在低温条件下使用的其他问题
在冬季，汽车发动机冷却系可使用防冻液，防止冻裂机件，不必每天加水、放水，减轻劳动强度。特别是合理使用防冻液和专门的起动预热设备相配合，可以大大地减少起动前的准备时间。
防冻液的使用性能用凝固点、沸点、传热性和热容量表示。为了保证防冻液在冷却系中的流动性，要求其黏度要低。防冻液还不应造成金属腐蚀、橡胶溶胀，并具有一定的化学稳定性。防冻液组成成分的主要性能见表7－1。
表7－1 防冻液组成成分的主要性能成分凝固点
按防冻液的成分不同，防冻液有乙二醇———水型、酒精———水型和甘油———水型三种。其中酒精———水型虽然流动性好，但易挥发需不断地加添酒精，并且冰点在－40℃的酒精———水型防冻液的酒精含量在55%以上，容易燃烧。甘油—水型防冻液黏度较大，并且随着温度降低，黏度增大，影响发动机的冷却功能。常用的防冻液是乙二醇———水型防冻液，按其使用寿命分类可分为普通防冻液(AF)和长效防冻液(LLC)。普通防冻液仅用一冬，长效防冻液全年均可使用，后者因添加了有机磷酸盐等防锈、防腐蚀剂，所以可以长时间使用。此外，长效防冻液可使发动机冷却系不易积垢，散热效果好。乙二醇———水型防冻液温度、密度、冻结温度及浓度(成分比例)如表7－2所示。
表7－2 乙二醇－水型防冻液与密度、冻结温度、浓度的关系
在低温条件下，制动液、减振液的黏度增大，甚至出现结晶，影响汽车行驶的安全性与平顺性。因此，在严寒地区应选用适于低温使用的制动液和减振液，减振器在必要时应拆下避振杆。
零件材料在低温下的物理机械性能将发生变化。例如，零下30℃～－40℃或更低时，碳钢的冲击韧性急剧下降，硅、锰钢制造的零件(钢板弹簧、弹簧等)及铸件(气缸盖、离合器壳、变速器壳等)也变脆。锡铅合金焊剂在－45℃或更低时，容易产生裂纹或呈粉状从接头的地方脱落。汽车上的塑料制品在低温下变脆且易出现裂纹，并可能从基体上脱落。
在特别寒冷的情况下，轮胎橡胶硬化、变脆，受冲击载荷的作用时易破裂。因此，在冬季行驶时，为了使轮胎升温和减少冲击，应在汽车起步后的头几公里以低速行驶，要缓慢起步及越过障碍物。
驾驶室与车厢的温度过低会影响驾驶员的劳动条件和乘客舒适感，风挡玻璃结霜会影响驾驶员的视野。现代汽车一般装有采暖设备，采暖设备一般是利用发动机冷却系的热量、排气热量或独立的采暖设施。无采暖设备的汽车，可将经过散热器的热空气引入驾驶室及风挡玻璃上，以便采暖和除霜。另外，用30%饱和盐水加70%的甘油涂在风窗玻璃表面，可实现防霜、防雾。
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