柴油機起動機匹配研究

劉名 王保棟 張?zhí)怪? 高仲凱 宋國華

摘 要：目前對于起動機的匹配大多數(shù)公司均在摸索階段，尤其在缺少低溫起動阻力距及最低點火轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)的情況下，起動機的匹配更加模糊，而良好的起動機匹配對于整機的起動性能起著非常重要的作用，特別是在極限低溫環(huán)境下，良好的匹配能降低起動機的故障。文章通過對柴油機阻力距的介紹，討論了起動機與柴油機之間的匹配，其中包括性能匹配、速比匹配及齒輪匹配，同時提出相應(yīng)的功率校核及保護控制措施，為后續(xù)起動機的匹配工作提供充分的理論基礎(chǔ)和實踐借鑒。

關(guān)鍵詞：柴油機;起動機;匹配

中圖分類號：U462.1 ?文獻標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）09-88-04

Starter Matching Research of Diesel?Engine

Liu Ming^1，2， Wang Baodong²， Zhang Tanzhi^1，2， Gao Zhongkai^1，2， Song Guohua^1，2

（ 1. State Key Laboratory of Internal Combustion Engine Reliability， Shandong Weifang 261061;2.Engine Research Institute， Shandong Weifang 261061 ）

Abstract：?At present the most engine companies?are exploring how to match the engine starter， especially for lack of data of engine resistant torque in low temperature and lowest ignition speed which make starter matching more vague. However， a good match between starter and engine is very important for engine start performance， which could effectively decrease the starter fault in the extreme?environment. The factors which influence?an engine start performance are introduced in this article and the match between starter and engine are discussed，?including performance?match， speed ratio match and gear match. At the meantime， power check and starter protection measures are presented. It can solve the match theory problem between starter and engine and improve the match level.

Keywords： Diesel engine; Starter; Matching

CLC NO.： U462.1 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）09-88-04

引言

起動機能夠順利的起動，必須包含以下條件：

（1）起動機有足夠的起動力矩，用于克服柴油機的低溫阻力距，實現(xiàn)柴油機從靜止到轉(zhuǎn)動。

（2）起動機有足夠的起動轉(zhuǎn)速，用于拖動起動機到最低啟動點火轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)順利點火起車。

不同發(fā)動機不同轉(zhuǎn)速下的低溫啟動阻力距及最低點火轉(zhuǎn)速均需要進行試驗測量獲取，在沒有試驗數(shù)據(jù)支撐的情況下，需要對起動機的匹配進行理論上的估算。

為了使得起動機齒輪與發(fā)動機齒圈順利嚙合，避免出現(xiàn)銑齒、根切、噪音等故障，起動機齒輪也需要正確的匹配設(shè)計，本文對實際應(yīng)用中的選型原則進行了進一步闡述。

同時，目前使用的起動機基本為電起動機，因外部環(huán)境及操作規(guī)范性的不同，導(dǎo)致起動機的故障頻發(fā)，本文從控制策略的角度提出對起動機的控制保護。

1 起動機匹配

為了保證發(fā)動機起動成功，起動機的起動轉(zhuǎn)矩必須大于發(fā)動機的起動總阻力距。因此起動發(fā)動機必須有足夠的起動功率，計算公式（1）如下：

P_F=M_F×w= M_F×n_s/9550???????????????????????（1）

式中，M_F-發(fā)動機在最低起動轉(zhuǎn)速下的阻力距（N.m）;P_F-發(fā)動機所需的起動功率（kW）;w-發(fā)動機的角速度;n_s-發(fā)動機的最低起動轉(zhuǎn)速（r/min）。

起動總阻力矩分為靜態(tài)阻力矩和動態(tài)阻力矩，兩者的不同在于前者是起動運行前的瞬時情況，后者為曲軸旋轉(zhuǎn)后的阻力矩。相對于前者，后者與發(fā)動機轉(zhuǎn)速密切相關(guān)。在發(fā)動機處于開始運轉(zhuǎn)的瞬間，產(chǎn)生的是瞬態(tài)靜摩擦阻力距，轉(zhuǎn)速越低，產(chǎn)生的瞬態(tài)靜摩擦力矩越大，發(fā)動機越不容易被拖動^[1-3]。柴油機的起動轉(zhuǎn)速在200r/min以下^[4]，由此可見起動機的起動力矩基本用于克服靜態(tài)阻力距。因此需要匹配合理的速比使得起動機有足夠的力矩克服阻力距。

1.1 性能匹配

發(fā)動機起動阻力距M_F基本包括以下三項：

1.1.1 摩擦阻力距

來自活塞與氣缸壁，軸承中的摩擦阻力，其大小與摩擦表面積和潤滑的粘度有關(guān)。估算公式見（2）。

M_fmax=7.803×p_fmax×V_h×i N.m ????????????????????（2）

式中Vh-柴油機的氣缸總?cè)莘e，L;i-柴油機的氣缸數(shù)目;p_fmax–克服柴油機內(nèi)摩擦的平均壓力最大值，N/cm?。對于四沖程發(fā)動機的pfmax可按下列經(jīng)驗公式（3）確定：

p_fmax= 186.3×v^1/4 N/cm? ???????????????????????（3）

式中 v-機油運動粘度，m?/s。

1.1.2 壓縮損失阻力距

進入氣缸的空氣在壓縮和膨脹行程的散熱和漏氣損失，以及進氣和排氣行程的消耗功。

可按下式（4）確定：

Mc= L_cmax/α?N.m ??????????????????????????????（4）

式中 L_cmax-克服空氣在氣缸內(nèi)受壓縮產(chǎn)生的阻力所需功的最大值;α-曲軸由開始轉(zhuǎn)動至達到起動轉(zhuǎn)速時，曲軸所轉(zhuǎn)過的角度，弧度。

對于四沖程六缸以上的柴油機可取α=2π。

四沖程柴油機的L_cmax值可按下式（5）計算：

L_cmax=403×V_h/i?N.m ???????????????????????????（5）

式中i-柴油機的氣缸數(shù)目;Vh-柴油機氣缸總?cè)莘e，L。

對于該阻力距的計算，有的經(jīng)驗公式（6）如下：

Mc=p0×ε×（πD?/4） ×R ?N.m?????????????????????（6）

式中 p0為進氣終了壓力，Mpa;ε為發(fā)動機最大壓縮比;D為氣缸直徑（mm）;R為曲柄半徑（mm）。

1.1.3克服柴油機運動機件的轉(zhuǎn)動慣量所需的阻力距（發(fā)動機加速度造成的慣性阻力距），估算公式（7）。

M_j=I×dw/dt=I×（π/30）×（dn_s/dt）N.m???????????????（7）

式中I為發(fā)動機所有運動構(gòu)件換算到曲軸上的轉(zhuǎn)動慣量，kg.m?;n_s為起動轉(zhuǎn)速（點火轉(zhuǎn)速），r/min，一般選擇最低環(huán)境溫度條件下的最低起動轉(zhuǎn)速;t為轉(zhuǎn)速從零加速到n_s所需時間，s。

一般轉(zhuǎn)動慣量I是由試驗測得的。如在設(shè)計新機型時，可按下列經(jīng)驗公式（8）近似估算：

I=150Pe/w?×μ?????????????????????????????????（8）

式中Pe-柴油機的額定功率;μ-為柴油機全部運動機件質(zhì)量的動能與柴油機每秒所作最大功的比值，此值可根據(jù)柴油機的型式和它在車上總布置方案來選取，一般μ=0.5～1;w-柴油機在額定功率轉(zhuǎn)速時，曲軸的角速度，rad/s;

w =πn_N/30 rad/s ???????????????????????????????（9）

式（9）中n_N-柴油機的額定功率時轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)/分。

如無低溫起動阻力距及最低起動轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，當(dāng)環(huán)境溫度為0℃時，發(fā)動機起動所需的功率可按照如下公式（10）進行估算^[5]：

P_F=（0.74～1.1）V_h（10）

式中Vh-柴油機氣缸總?cè)莘e，L。

起動機的額定功率應(yīng)與起動發(fā)動機所需的起動功率相匹配。發(fā)動機所需起動功率確定后，考慮到從起動機電樞到發(fā)動機曲軸的傳動效率，起動機的起動功率可由下式（11）確定。

P_qd=P_F/η?????????????????????????????????????（11）

式中η-從起動機電樞到發(fā)動機曲軸的傳動效率，通常為0.85。

當(dāng)蓄電池容量較大時，尤其起動溫度不是很低時，起動機的最大實際功率會明顯高于額定功率。在這種情況下，必須根據(jù)起動機特性曲線對起動性能進行驗算。

1.2 速比匹配

傳動比的選擇應(yīng)在起動機輸出功率最大時才會使起動機輸出功率能在低溫條件下被完全利用而工作電流較小。起動機與發(fā)動機最佳傳動比可以按下式（12）進行計算：

k=n_Pmax/n_s≈Z₂/Z₁（12）

式中?n_Pmax-起動機功率最大時的起動機工作轉(zhuǎn)速，r/min;n_s-發(fā)動機最低起動轉(zhuǎn)速，r/min;Z₂-發(fā)動機飛輪齒圈的齒數(shù);Z₁-起動機驅(qū)動齒輪的齒數(shù)。

起動機傳輸給發(fā)動機的起動轉(zhuǎn)矩及起動轉(zhuǎn)速必須大于發(fā)動機的起動阻力矩M_F（N.m）與最低起動轉(zhuǎn)速n_s。選定傳動比k后，應(yīng)算出所需起動機的起動轉(zhuǎn)矩與起動轉(zhuǎn)速。

起動機功率最大時的起動轉(zhuǎn)矩為式（13）：

M_Pmax≥M_F/（k×η）?????????????????????????????（13）

式中，η-從起動機電樞到發(fā)動機曲軸的傳動效率，通常為0.85。

起動機功率最大時的起動機工作轉(zhuǎn)速為式（14）：

n_Pmax≥k×n_s（r/min）???????????????????????????（14）

1.3?齒輪匹配

起動機的驅(qū)動齒輪為漸開線齒形，驅(qū)動齒數(shù)一般為9-14齒^[6]，有的特殊大排量發(fā)動機匹配的起動機齒輪匹配到15齒。起動機齒輪要素匹配見表1，在新設(shè)計匹配時，不建議用帶括號的參數(shù)。

為了順利與發(fā)動機飛輪齒圈嚙合，起動機驅(qū)動齒輪和飛輪齒圈的開始嚙合端應(yīng)有45°倒角。倒角位置與尺寸的關(guān)系參照圖1及表2。

為避免齒輪嚙合時因輪齒摩擦發(fā)熱膨脹而卡死，齒廓之間必須留有側(cè)隙，形成潤滑油膜。側(cè)隙過大容易有噪音，過小影響齒輪順利嚙合，根據(jù)生產(chǎn)實際經(jīng)驗，側(cè)隙的選擇可根據(jù)表3確定。

1.4 起動機功率校核

在低溫下，進行如下功率校核：

（1）發(fā)動機在點火轉(zhuǎn)速n_s下，按照式（15）進行校核：

M_qd×k>M_F（15）

式中M_qd-起動機起動轉(zhuǎn)矩;k-起動機與發(fā)動機傳動比;M_F-發(fā)動機阻力距。

（2）在起動機輸出M_F轉(zhuǎn)矩下，按照式（16）進行校核：

N/k>Ns????????????????????????????????????（16）

式中N-起動機轉(zhuǎn)速;k-起動機與發(fā)動機傳動比;Ns-發(fā)動機點火轉(zhuǎn)速。

2?起動機的保護控制

因安裝位置不同，大部分情況下不能靠人耳辨別車輛是否起動成功，除了要在設(shè)定條件下進行起動控制外，還要在起動成功后進行起動機的保護，防止異常起動造成起動機的失效或其他損失。對于電控柴油機，可從以下幾個方面進行保護控制：

（1）發(fā)動機正常起動后需切斷起動機電源連接，防止起動機繼續(xù)運轉(zhuǎn)被發(fā)動機反拖：起動機工作后，ECU檢測到發(fā)動機的轉(zhuǎn)速大于某一轉(zhuǎn)速值，則切斷電源連接。

（2）發(fā)動機已經(jīng)開始運轉(zhuǎn)或者發(fā)動機停機尚在轉(zhuǎn)動時，防止重復(fù)起動保護：當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速小于某一轉(zhuǎn)速時，才允許起動機工作。

（3）起動不成功，發(fā)動機因異常而不能自轉(zhuǎn)，防止強行起動：起動機工作一段時間后，ECU檢測發(fā)動機轉(zhuǎn)速小于某一轉(zhuǎn)速，則停止起動。

（4）防止長時間起動導(dǎo)致起動機過熱引起的損失：設(shè)置最大持續(xù)起動時間小于某一時間。

（5）防止連續(xù)多次起動導(dǎo)致起動機累積過熱：通過ECU設(shè)置兩次起動的時間間隔。

3?結(jié)論

本文主要從理論上研究起動機的匹配：

（1）起動機傳輸給發(fā)動機的起動轉(zhuǎn)矩必須大于發(fā)動機的起動阻力矩;根據(jù)起動機在最大功率時對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，確定與發(fā)動機最低起動轉(zhuǎn)速的比值;起動機齒輪參數(shù)應(yīng)滿足一定的要求，確保順利嚙合與脫離。

需要注意的是，本文中提及的計算均為理想公式，并未考慮到在柴油機實際啟動過程中的復(fù)雜工況。實際上，摩擦阻力矩和壓縮阻力矩與環(huán)境溫度有很大關(guān)系：溫度越低，機油黏度越大，從而使發(fā)動機的摩擦阻力矩增大;溫度越低，燃油黏度變大，使燃油汽化困難，不利于燃油和空氣的混合，從而壓燃困難;并且當(dāng)溫度較低時，蓄電池的容量會變低，內(nèi)阻會增加，致使輸入起動機的功率降低。

因此低溫起動阻力距及最低起動轉(zhuǎn)速的測量在起動機選型匹配中極為重要，在測量過程中，需要保證機油、燃油、摩擦副、蓄電池、線阻等與整車狀態(tài)保持一致。

（2）起動機在實際應(yīng)用中，因操作規(guī)范不同、駕駛員駕駛習(xí)慣不同，會導(dǎo)致起動機的失效。本文針對電控柴油機匹配的起動機提出多個控制方式，實現(xiàn)對起動機的軟保護。

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