SC27G柴油機減速起動機匹配設計開發(fā)

魏亞玲，付德元

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

SC27G柴油機減速起動機匹配設計開發(fā)

魏亞玲，付德元

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

介紹了SC27G柴油機起動機設計匹配。通過優(yōu)化起動機匹配，完成了改善柴油機冷起動性能、起動機輕量化及高性價比的設計目標，保證了柴油機良好的起動性能，解決了生產上的實際問題。

柴油機起動機起動阻力矩拖動轉速匹配

1 引言

柴油機的起動性能是柴油機性能的重要指標之一。目前國內起動系統(tǒng)各部件的選型基本靠兩種途徑完成，一是參考國內同類產品的使用經驗來定型，二是借鑒引進國外排量相同或接近的發(fā)動機零部件使用狀態(tài)。起動機是起動系統(tǒng)中的核心部件，對柴油機起動性能起決定性作用，因此起動機的合理匹配尤其重要。

SC27G柴油機是在12V135柴油機的基礎上，為實現(xiàn)產品在質量、可靠性、經濟性、振動噪音和外形上的升級，進行改進的電站用柴油機。SC27G柴油機重大改進項目在原機基礎上提升了功率、增強了柴油機的冷卻、潤滑能力，同時解決原機存在的質量問題，其基本參數(shù)參見表1。

原柴油機所配的起動機為直驅式結構，重量達到36 kg，在新的流水生產線上一個人難以按照既定生產節(jié)拍完成裝配，需要增加設備來輔助裝配。減速起動機因其體積小、重量輕、節(jié)約用材、適配性好等特點，應用范圍越來越廣。因此在柴油機的改進項目中，應用減速起動機進行輕量化設計、提高減速起動機匹配性是本子項目的重要開發(fā)內容。

鑒于試驗室條件與實際使用條件不完全相同，在應用減速起動機設計匹配時，柴油機的冷起動設計溫度為-10℃。

表1 SC27G發(fā)動機基本參數(shù)

2 SC27G柴油機與起動機匹配設計

起動機要有足夠大的轉矩來克服柴油機初始點火轉動時的各種阻力矩。影響起動機與柴油機匹配的因素很多，包括柴油機類型、氣缸數(shù)、缸徑、轉速、傳動比等等。由于柴油機曲軸旋轉具有高度的不均勻特性，起動時起動阻力矩是反復沖擊的力矩，當柴油機活塞壓縮近于上死點位置時阻力矩最大，稱為最大起動阻力矩。柴油機的起動阻力矩由三部分組成：摩擦阻力、壓縮阻力和輔助機構阻力。

（1）摩擦阻力：主要是活塞與氣缸壁、凸輪軸與軸襯、曲軸與軸承、以及齒輪系的摩擦等，其大小取決于潤滑油黏度、柴油機溫度、曲軸轉速、柴油機型式及其摩損程度。在0℃時，摩擦阻力占柴油機全部起動阻力的60%左右，在-10～-20℃時則可以達到80%～90%。

（2）壓縮阻力：指活塞壓縮氣體時所受到的阻力。主要與氣缸工作容積和壓縮比有關，它隨著曲軸轉速的升高而降低。在0℃時，壓縮阻力占柴油機全部起動阻力的25%左右。

（3）輔助機構阻力：輔助機構包括供油系統(tǒng)、機油泵、水泵、配氣機構、空壓泵和發(fā)電機等。在0℃時，輔助機構阻力占全部柴油機起動阻力的15%左右。

柴油機能否順利起動主要取決于起動機的功率特性、轉矩特性、轉速特性與柴油機的匹配性。

2.1 SC27G柴油機起動機功率匹配

為使柴油機起動可靠，起動機功率必須適當大于柴油機起動功率，通常起動機工作點位于起動機功率特性曲線最大值的左側70%～80%附近［1］。因為起動機在該點附近工作，工作效率高，加上磁路飽和，起動機工作較平穩(wěn)，轉速上升快，加速度大，起動時間短。

在柴油機新品設計階段，不可能提供柴油機比較準確的最大起動阻力矩和最低起動轉速數(shù)值，一般可通過倒拖柴油機進行反推估算。將柴油機在-10℃環(huán)境溫度條件下冷凍保溫24 h后，進行SC27G柴油機的拖動試驗，即用起動機拖動柴油機，見表2。蓄電池容量為180 A·h。從表2中可以推算出，平均拖動轉速為156 r/min。

由于N=n/（Z1/Z2）

Z1——飛輪齒圈齒數(shù)為137；

Z2——起動機單向器齒數(shù)為12；

N——柴油機拖動轉速；

n——起動機驅動軸輸出轉速。

表2 -10℃時SC27G柴油機拖動試驗

傳動比：Z1/Z2=137/12=11.42，則起動機的轉速為156×11.42=1 781.5 r/min，從直驅起動機特性曲線（圖1）中可以查到起動機輸出扭矩為35 N·m。

圖1 -10℃直驅式起動機的特性曲線

因此，所需起動機功率約為

其中，η為起動機小齒輪與飛輪齒圈的傳動效率，此處取0.85。

根據(jù)以上計算結果，直驅起動機的最大功率P為7.82 kW，可以滿足發(fā)動機起動功率的要求。在不降低起動功率的前提下，為達到起動機輕量化的目的，結合國內起動機供應商的實際情況，初步確定采用定子直徑為115 mm，常溫23℃時功率為9 kW的減速起動機作為設計開發(fā)的目標，即減速起動機方案A。其在-10℃時的特性曲線參見圖2，最大功率P為7.77 kW，亦滿足初步計算結果。

圖2 -10℃減速起動機A的特性曲線

2.2 SC27G柴油機起動機扭矩-轉速匹配

起動機與柴油機的匹配，扭矩特性是否匹配是關鍵。圖3為直驅起動機與減速起動機A的扭矩-轉速曲線。從圖3上看，直驅起動機在扭矩小于100 N·m時，其轉速優(yōu)于減速起動機A。但從起動機輕量化及匹配的性價比的角度出發(fā)，減速起動機具有匹配優(yōu)勢。所以，減速起動機A的機械特性還需作進一步的優(yōu)化和提升。

圖3 扭矩-轉速特性曲線

2.3 減速起動機性能的優(yōu)化

起動機冷起動性能最終是表現(xiàn)在起動機對柴油機拖動轉速上。因此改善起動機方案A的性能可以從二個方面著手，一是提高起動機輸出功率來提高拖動轉速，二是通過改變傳動比提高拖動轉速。

2.3.1 提高減速起動機方案A的輸出功率

由于起動機為串勵式直流電動機，根據(jù)串勵式直流電動機機械特性，則起動機功率P與扭矩Tm和轉速n的關系如下

其中，Ks、CT、Ce為電機常數(shù)，Ra、Rf、Rr分別為電樞、勵磁線圈、蓄電池及連接線電阻。

因減速起動機是在低電壓、大電流狀態(tài)下工作，其磁路已經飽和，因此電流Ia增加，而磁通Φ基本變化不大。

由式（1）可知，扭矩Tm和電流Ia為線性關系，串勵式直流電動機能很好地滿足柴油機起動要求。由式（2）可知，減小起動機內阻可明顯提高起動機轉速，相應功率也提高。因此采取減少定子勵磁線圈匝數(shù)的方法，由6匝調整為5匝，來調整起動機的機械性能曲線，使電機轉速提高。同時增加勵磁線圈線規(guī)的截面積，由2.5×6.4調整為2.7×6.4。對電機參數(shù)進行上述調整后，成為減速起動機改進方案B。圖4為減速起動機B在-10℃時的輸出特性曲線，可以看出最大功率提高到8.01 kW。低扭矩段的扭矩-轉速特性曲線見圖5，可見起動機方案B的轉速比方案A有明顯的提高，改進達到了預期目的。

圖4 -10℃減速起動機B的特性曲線

2.3.2 減速起動機方案B與柴油機匹配性優(yōu)化

根據(jù)-10℃的拖動試驗數(shù)據(jù)及兩個起動機的特性曲線參數(shù)，起動機的工作點在功率特性曲線左側L1及L2，功率上有一定的富裕量，見圖1及圖2。圖6為直驅式起動機和減速起動機B的扭矩-功率曲線，可以看出，兩個起動機相同的扭矩點對應的功率點是不同的。

在發(fā)動機阻力矩一定的條件下，如果右移起動機工作點，則起動機輸出功率增大，發(fā)動機拖動轉速將上升。當發(fā)動機轉速升高后，發(fā)動機阻力矩隨之下降，發(fā)動機轉速將會進一步提高，起動機與發(fā)動機的力矩、轉速到達一個新的平衡。因此，在起動機工作點位于最大功率點左邊時，可適當增加起動機單向器齒數(shù)，降低傳動比，可提高柴油機拖動轉速。

將12齒起動機的扭矩-轉速特性，等效為單向器增加1齒后的13齒起動機，而等效后的起動機在性能曲線上其轉速曲線上移。圖7為減速起動機B驅動齒輪的齒數(shù)12齒與13齒的扭矩-轉速擬合曲線。從圖中可見，增加1個齒，即可抬高起動機的機械特性。

2.3.3 優(yōu)化后減速起動機B的機械特性

通過提高起動機本身的輸出性能，優(yōu)化減速起動機匹配性，圖8給出了直驅式和減速式方案B起動機的扭矩-轉速特性對比曲線。從圖中可以看出，在扭矩為35 N·m時，原直驅式起動機拖動轉速為165 r/min，而性能及匹配性優(yōu)化后的減速起動機B樣，提高了其在低扭矩時的轉速，從而提高了起動機的拖動轉速，轉速156 r/min，減速起動機B樣與原直驅起動機的扭矩-轉速特性曲線已經非常接近。

圖5 減速起動機A和B的扭矩-轉速曲線

圖6 直驅式和減速起動機B的扭矩-功率特性曲線

圖7 13齒等效為12齒的扭矩-轉速擬合特性曲線

圖8 直驅式和減速起動機B的扭矩-轉速曲線

2.4 優(yōu)化后減速起動機B樣冷起動試驗

拖動試驗完成之后，在-10℃環(huán)境中繼續(xù)保溫8 h，進行正常起動，電壓、電流、柴油機轉速如圖9所示，-10℃起動成功。

從圖中可以看出，在-10℃溫度下起動機拖動發(fā)動機，轉速達到133 r/min，達到發(fā)動機著火轉速。柴油機第一次起動時間為8.6 s，保溫半小時后第二次0.9 s起動成功。根據(jù)相關試驗標準要求，在某溫度條件下連續(xù)起動3次，有2次成功起動，即柴油機成功起動。

圖9 -10℃起動過程

由于減速起動機具有軟嚙合功能，起動鑰匙開關打開后，起動機單向器在伸出的同時，轉子帶動其以200 r/min低速旋轉，在低速旋轉中尋找合適的嚙合位置，逐漸克服頂齒摩擦力，與發(fā)動機飛輪齒圈嚙合。嚙合到位后，起動機再通過大電流旋轉，起動發(fā)動機。即便在頂齒狀態(tài)下，保證電磁開關主觸點不會接通，可有效解決銑齒問題，相對直驅式強制嚙合起動機，起動更加柔和。

3 結論

起動機盡量選用已經量產的起動機，這樣既可以保證起動機的可靠性，又能降低新項目的開發(fā)成本及交樣周期。減速起動機機械特性軟，轉速較低是其缺點，可通過試驗、分析、優(yōu)化，提高減速起動機的匹配性。定子直徑為115 mm的減速起動機與SC27G大功率柴油機的匹配，達到了冷起動溫度的設計目標，完成了起動機輕量化、降低成本的開發(fā)目標，完全滿足用戶的使用要求。現(xiàn)已推向市場2年，根據(jù)統(tǒng)計情況起動機故障率得到明顯降低。

［1］閔躍進.起動機工作點的探討［J］.汽車電器，2004（9）.

Optimization of Decelerate Starter for SC27G Diesel Engine

Wei Yaling，F(xiàn)u Deyuan
（Shanghai Diesel Engine Co.，Ltd，Shanghai 200438，China）

Optimization of starter match for SC27G diesel engine is introduced.By optimization matching scheme，complete the design targets of improve cold starting performance，light-weight design and high cost-effective，to ensure starting performance and solve manufacture practical problems.

diesel engine，starter，starting resistance moment，cranking speed，，match

10.3969/j.issn.1671-0614.2015.04.004

來稿日期：2015-09-02

魏亞玲（1976-），女，工程師，主要研究方向為發(fā)動機起動系統(tǒng)產品設計。