發(fā)動機(jī)低溫阻力矩研究

陳 東

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司商用車技術(shù)中心，上海 200438）

本文的研究對象是發(fā)動機(jī)的低溫阻力矩。在起動機(jī)功率設(shè)計中，功率等于阻力矩乘以轉(zhuǎn)速，再除以常數(shù)，低溫阻力矩是最關(guān)鍵的參數(shù)。但也是一個很難給出的參數(shù)，行業(yè)內(nèi)極少有主機(jī)廠或者發(fā)動機(jī)廠能給出這個參數(shù)，沒有這個參數(shù)，起動機(jī)功率只能憑經(jīng)驗進(jìn)行設(shè)計，很容易出現(xiàn)功率過高或者過低的情況，過高導(dǎo)致起動機(jī)和蓄電池成本增加，過低會導(dǎo)致低溫啟動困難。本文以上汽大通VM2.8L柴油機(jī)為基礎(chǔ)，進(jìn)行低溫阻力矩的研究，計算出低溫阻力矩及總結(jié)出低溫阻力矩的計算公式。

1 發(fā)動機(jī)低溫阻力矩計算思路

在進(jìn)行這項研究時，最開始以發(fā)動機(jī)低溫阻力矩反算進(jìn)行。因此，思路是從低溫冷啟動入手，通過冷啟動的數(shù)據(jù)，結(jié)合起動機(jī)的功率曲線，進(jìn)行發(fā)動機(jī)低溫阻力矩反算。主要步驟如下。

1）對整車進(jìn)行冷啟動拖動試驗 （也可選取起動前拖動部分?jǐn)?shù)據(jù)），采集蓄電池兩端電壓、起動機(jī)兩端電壓、起動電流、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。

2）數(shù)據(jù)整理分析，得出蓄電池開路電壓U和起動回路總的內(nèi)阻R，發(fā)動機(jī)平均拖動轉(zhuǎn)速n，拖動平均電流I。

3）通過U和R模擬出起動機(jī)的性能曲線，通過平均電流I查找到對應(yīng)起動機(jī)扭矩Ts，通過起動機(jī)速比i反算出發(fā)動機(jī)阻力矩T。

2 基于VM2.8發(fā)動機(jī)低溫阻力矩計算過程

基于VM2.8發(fā)動機(jī)，進(jìn)行了多次冷啟動實驗，通過實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行低溫阻力矩的計算。

2.1 數(shù)據(jù)采集布點(diǎn)

首先要進(jìn)行冷啟動實驗，實驗中需要采集相關(guān)的參數(shù)，實驗布點(diǎn)圖見圖1。

2.2 數(shù)據(jù)處理及分析

1）低溫平均拖動電流 將蓄電池電壓、起動機(jī)B+電壓、電流做出曲線，在曲線上選取一段數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計算出這一段的平均拖動電流IAVG=511A。如圖2所示。

2）蓄電池開路電壓 選取計算平均電流的一段數(shù)據(jù)對應(yīng)的蓄電池電壓和起動電流做一個散點(diǎn)圖，添加趨勢曲線，得出電壓與電流的關(guān)系，如圖3所示。

通過圖3得出：蓄電池開路電壓U=11.1V。

3）起動回路內(nèi)阻 選取計算平均電流的一段數(shù)據(jù)對應(yīng)的起動機(jī)B+電壓和起動電流做一個散點(diǎn)圖，添加趨勢曲線，得出電壓與電流的關(guān)系，斜率為起動回路總內(nèi)阻，如圖4所示。

圖1 冷啟動實驗數(shù)據(jù)采集布點(diǎn)圖

圖2 冷啟動數(shù)據(jù)

圖3 蓄電池電壓與電流線性關(guān)系

圖4 起動機(jī)端電壓與起動電流線性關(guān)系

通過圖4得出，起動回路電阻R=6.4mΩ。

4）起動阻力矩 通過計算出的開路電壓和整個回路線阻模擬出性能曲線或者在臺架上實測性能曲線，從中找出IAVG對應(yīng)起動機(jī)扭矩Ts，圖5為11.1V／6.4mΩ對應(yīng)起動機(jī)性能曲線，通過曲線得出511A電流對應(yīng)的起動機(jī)扭矩Ts為14.98Nm。

圖5 起動機(jī)功率曲線圖

這里需要說明一下為什么不直接用起動機(jī)圖紙中的功率曲線。其中不同的開路電壓及回路內(nèi)阻起動機(jī)的功率曲線圖是不一樣的。例如11V／6.4mΩ對應(yīng)的曲線和12V／6.7mΩ對應(yīng)的曲線都是不一樣的，因此我們需要在與實際起動情況對應(yīng)的圖上找到所需要的需求。

5）發(fā)動機(jī)阻力矩計算 有了以上冷啟動數(shù)據(jù)，對應(yīng)的起動機(jī)扭矩，發(fā)動機(jī)阻力矩就很好得出了，乘以速比即為發(fā)動機(jī)阻力矩。T=14.98×110／9=182.97Nm。

以上為典型的發(fā)動機(jī)低溫阻力矩計算案例及計算過程。

2.3 發(fā)動機(jī)低溫阻力矩散點(diǎn)分析

進(jìn)行一項研究時，只做一次實驗肯定不行，因此進(jìn)行了多次冷啟動實驗，進(jìn)行低溫阻力矩散點(diǎn)分析。同樣方法進(jìn)行了多次冷啟動后計算出的發(fā)動機(jī)低溫阻力矩散點(diǎn)圖如圖6所示，可以看出還是比較集中。

圖6 發(fā)動機(jī)低溫阻力矩散點(diǎn)圖

2.4 發(fā)動機(jī)低溫阻力矩與輸入條件之間的關(guān)系

以上的計算，獲取了很多參數(shù)作為輸入條件進(jìn)行低溫阻力矩計算，有了大量數(shù)據(jù)，看看發(fā)動機(jī)低溫阻力矩與輸入條件的關(guān)系，看看能否總結(jié)出規(guī)律。

為了找出在低溫冷啟動系統(tǒng)中阻力矩與輸入條件的關(guān)系，選取了開路電壓、平均拖動電流、總內(nèi)阻3個因素進(jìn)行了分析。如圖7～圖9所示。

圖7 阻力矩與電流關(guān)系

圖8 阻力矩與總內(nèi)阻的關(guān)系

圖9 阻力矩和開路電壓的關(guān)系

通過以上分析，發(fā)動機(jī)低溫阻力矩與拖動電流線性關(guān)系，R2=1，說明相關(guān)性100%。為何如此線性，筆者進(jìn)行了資料查閱及研究。

線性關(guān)系的原因為：起動機(jī)輸出扭矩T=轉(zhuǎn)矩常數(shù)×電流，起動機(jī)輸出扭矩只與電流相關(guān)。

因此針對于VM2.8發(fā)動機(jī)阻力矩，簡易算法為：Y=0.5483X-97.079。

式中：Y——發(fā)動機(jī)阻力矩；X——平均拖動電流。

注：此公式只適用于VM2.8發(fā)動機(jī)，并且配法雷奧TS24-25起動機(jī)情況，因為不同的起動機(jī)，扭矩與電流的線性關(guān)系公式不同。

2.5 低溫阻力矩計算公式總結(jié)

通過起動機(jī)反算發(fā)動機(jī)阻力矩，可以通過起動機(jī)扭矩和電流關(guān)系再乘以速比得出所配發(fā)動機(jī)阻力矩計算公式：Y=（k×X+b）×n，再通過冷啟動試驗得出X值，即可計算出發(fā)動機(jī)阻力矩。

式中：Y——發(fā)動機(jī)阻力矩；k——起動機(jī)扭矩與電流關(guān)系系數(shù)；b——起動機(jī)扭矩與電流關(guān)系常數(shù)；n——發(fā)動機(jī)與起動機(jī)速比；X——冷啟動試驗平均拖動電流。

例：VM2.8發(fā)動機(jī)阻力矩計算公式：Y=（0.0449×X-7.9428）×12.2。

2.6 低溫阻力矩計算公式應(yīng)用情況

筆者將總結(jié)出的計算公式及方法應(yīng)用至了筆者公司開發(fā)的D20柴油機(jī)項目上，V90 D20項目實車首次冬標(biāo)一次啟動成功，并且在T70項目上，對蓄電池容量進(jìn)行了優(yōu)化，將蓄電池容量由110Ah降低至90Ah。經(jīng)過冷啟動實驗及冬標(biāo)實驗，均無冷啟動問題，解決了設(shè)計冗余，節(jié)省了整車開發(fā)成本。

3 結(jié)論

本文通過冷啟動實驗，進(jìn)行發(fā)動機(jī)低溫阻力矩計算研究，總結(jié)出了低溫阻力矩計算公式。但是此方法為反算，需要有先行條件，必須先有發(fā)動機(jī)，然后再進(jìn)行冷啟動實驗，即可獲得發(fā)動機(jī)阻力矩。但是行業(yè)內(nèi)發(fā)動機(jī)開發(fā)比整車開發(fā)早，一般在有了發(fā)動機(jī)臺架后，便可按此方法進(jìn)行計算。然后根據(jù)此方法得出發(fā)動機(jī)低溫阻力矩，用于整車起動機(jī)和蓄電池設(shè)計，可以大大提高設(shè)計準(zhǔn)確性，提升冷啟動性能以及節(jié)省不必要的冗余成本。