一種應(yīng)用48 V系統(tǒng)的乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)啟停耐久試驗(yàn)方法研究

任秀娟，洪志波，徐政

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心/上海市汽車動(dòng)力總成重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201805)

0 引言

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外汽車排放法規(guī)日益嚴(yán)苛，節(jié)能減排是各大車企在研發(fā)過(guò)程中的追求目標(biāo)。為了達(dá)到油耗和排放標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)又不需擔(dān)心續(xù)航和充電難問(wèn)題，混合動(dòng)力模式越來(lái)越受到各大乘用車企業(yè)的青睞?；旌蟿?dòng)力汽車分為插電式混合動(dòng)力汽車(plug-in hybrid electric vehicle(PHEV))和普通混合動(dòng)力汽車(hybrid electric vehicle(HEV))。PHEV的特點(diǎn)是有外接電源插頭，能對(duì)車載的可充電蓄電池充電，具有較短里程的純電動(dòng)行駛能力。HEV的特點(diǎn)是無(wú)外接充電能力，電機(jī)只輔助發(fā)動(dòng)機(jī)啟停，或者與發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)，短時(shí)間驅(qū)動(dòng)車輛行駛。一般為弱混或者中混，電機(jī)通?？梢曰厥瞻l(fā)動(dòng)機(jī)能量給電池充電。插電式混合動(dòng)力汽車由于有兩套動(dòng)力系統(tǒng)，設(shè)計(jì)復(fù)雜，成本較高。普通混合動(dòng)力汽車由于不改變?cè)械鸟{駛模式，成本較傳統(tǒng)燃油車增加較少，近年成為各大車企的研發(fā)熱點(diǎn)。

HEV的一種模式是給傳統(tǒng)車用汽油機(jī)上配置48 V系統(tǒng)零件，由于混合度較低，也稱弱混或輕混系統(tǒng)。此舉能明顯提高車載電源功率，利于整車輕量化，同時(shí)通過(guò)直流/直流轉(zhuǎn)換器(DC/DC)，將48 V系統(tǒng)集成在原有12 V系統(tǒng)上，避免了革命性的變更，減少開發(fā)成本。一方面，48 V系統(tǒng)通過(guò)電動(dòng)機(jī)輔助及能量回收，大幅減少了汽車在啟停過(guò)程中的能量消耗；另一方面，發(fā)動(dòng)機(jī)在低速段扭矩低、響應(yīng)滯后，而電機(jī)低速扭矩大，響應(yīng)快，能夠彌補(bǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)的劣勢(shì)，提高汽車起步速度，改善駕駛體驗(yàn)。因此，48 V系統(tǒng)是降低傳統(tǒng)車輛油耗的技術(shù)之一。近年來(lái)，48 V系統(tǒng)也逐步從奔馳、奧迪等高端車型走向平民車型，表1為配置48 V系統(tǒng)的在售乘用車車型。

表1 配置48 V輕混系統(tǒng)的乘用車車型

48 V系統(tǒng)一般包含皮帶式啟動(dòng)發(fā)電機(jī)(BSG)、48 V電池和DC/DC三大部件。本文主要研究的是應(yīng)用48 V電機(jī)后，發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁啟停所帶來(lái)的機(jī)械磨損問(wèn)題。因此，需要在原有發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證體系基礎(chǔ)上，增加對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁啟停耐久性的專項(xiàng)驗(yàn)證。所以本文的48 V系統(tǒng)零件特指與發(fā)動(dòng)機(jī)裝配在一起的零件，如48 V BSG、附件皮帶及雙向張緊器，不包含整車車艙內(nèi)的48 V電池、DC/DC等零件。本文也將著重研究如何為48 V系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)啟停耐久的試驗(yàn)方法，以便在開發(fā)過(guò)程中能做到有針對(duì)性的充分驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)方法

啟停耐久試驗(yàn)方法需要考慮單次啟停的時(shí)間以及啟停次數(shù)。啟停的過(guò)程會(huì)影響到發(fā)動(dòng)機(jī)性能，可以將其分解為起動(dòng)時(shí)間S1、怠速穩(wěn)定時(shí)間S2、停機(jī)時(shí)間S3和停機(jī)等待時(shí)間S4。啟停次數(shù)根據(jù)國(guó)家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)160 000 km[1，2]以及典型推薦工作循環(huán)進(jìn)行折算。

1.1 單次啟停的時(shí)間

起動(dòng)時(shí)間S1和停機(jī)時(shí)間S3基本上為0.5 s左右，主要需要制定起動(dòng)之后的怠速穩(wěn)定時(shí)間S2和停機(jī)到下次起動(dòng)之前這之間的停機(jī)等待時(shí)間S4。其中單次起動(dòng)穩(wěn)定時(shí)間S2和單次停機(jī)穩(wěn)定的時(shí)間S4為關(guān)鍵參數(shù)。

1.1.1 單次起動(dòng)穩(wěn)定時(shí)間S2的確定

單次起動(dòng)穩(wěn)定時(shí)間S2的影響因素是發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力的建立。由于發(fā)動(dòng)機(jī)是機(jī)械零件的組合，各零件在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中靠機(jī)油來(lái)潤(rùn)滑，如果起動(dòng)后穩(wěn)定時(shí)間過(guò)短，機(jī)油壓力不能充分建立，長(zhǎng)期下來(lái)會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)件干摩擦，影響零件的使用壽命，甚至造成零件拉傷失效，發(fā)動(dòng)機(jī)報(bào)廢，達(dá)不到試驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的。為探索機(jī)油壓力建立的時(shí)間，在發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)功機(jī)臺(tái)架上起動(dòng)后，分別記錄機(jī)油壓力上升到滿足發(fā)動(dòng)機(jī)最低機(jī)油壓力要求的時(shí)間。這主要是根據(jù)凸輪軸正時(shí)調(diào)相器、增壓器、缸體主軸承、缸蓋后端機(jī)油壓力開關(guān)等設(shè)計(jì)指標(biāo)要求而來(lái)。不同主機(jī)廠不同零件對(duì)該要求有差異。此外，機(jī)油壓力建立的時(shí)間也與溫度，即冷/熱機(jī)狀態(tài)，以及發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)系。熱機(jī)狀態(tài)下機(jī)油粘度低，各運(yùn)動(dòng)件有機(jī)油殘留，理論上機(jī)油壓力建立快。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高，機(jī)油流量大，機(jī)油壓力建立的快。以冷/熱機(jī)狀態(tài)、轉(zhuǎn)速做矩陣，分別記錄，見(jiàn)表2。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力建立時(shí)間

其中，冷機(jī)狀態(tài)是指發(fā)動(dòng)機(jī)充分冷卻或靜置一晚使其油底殼機(jī)油溫度、主油道溫度、缸體、缸蓋的溫度都為常溫(25℃～35℃)。熱機(jī)狀態(tài)是指發(fā)動(dòng)機(jī)充分預(yù)熱，其油底殼的機(jī)油溫度都達(dá)到90℃。通過(guò)實(shí)測(cè)，不管是怠速還是2 000 r/min，也不論熱機(jī)還是冷機(jī)，總體上2～3 s內(nèi)機(jī)油壓力可以完全建立起來(lái)。因此，使S2大于最長(zhǎng)機(jī)油壓力建立時(shí)間即可。

1.1.2 單次停機(jī)穩(wěn)定的時(shí)間S4的確定

S4過(guò)長(zhǎng)則影響試驗(yàn)總時(shí)長(zhǎng)，造成不必要的開發(fā)周期浪費(fèi)，過(guò)短則需考慮機(jī)油回流和機(jī)油壓力消退。機(jī)油回流時(shí)間是分鐘甚至小時(shí)級(jí)的，而秒級(jí)的停機(jī)時(shí)間差異基本不影響機(jī)油回流效果，只對(duì)機(jī)油壓力消退有影響。停機(jī)時(shí)間≥3 s后，機(jī)油壓力基本消退，如圖1所示。

圖1 停機(jī)機(jī)油壓力消退時(shí)間

單次啟停的時(shí)間S又以下式(1)來(lái)計(jì)算：

S=S1+S2+S3+S4

(1)

發(fā)動(dòng)機(jī)單次啟停循環(huán)如圖2所示。

圖2 單次啟停循環(huán)

1.2 總啟停次數(shù)的確定

制定了單次啟停的周期，接下來(lái)需要考慮的是總啟停次數(shù)的設(shè)計(jì)。試驗(yàn)過(guò)程中，先按照160 000 km估算啟停次數(shù)，然后再根據(jù)用戶實(shí)際用車情況及覆蓋后續(xù)法規(guī)的要求，乘以相應(yīng)的系數(shù)。按照標(biāo)準(zhǔn)道路循環(huán)(SRC)，一圈為5.95 km，如圖3所示，一共發(fā)生7次啟停，160 000 km將發(fā)生18.82萬(wàn)次啟停。

圖3 SRC道路循環(huán)工況

如果覆蓋后續(xù)法規(guī)要求的200 000 km，那么48 V系統(tǒng)的啟停次數(shù)不超過(guò)25萬(wàn)次，考慮到用戶用車場(chǎng)景的復(fù)雜性，可以按照一定的系數(shù)增加考核。此外，啟停耐久次數(shù)要結(jié)合零件的設(shè)計(jì)壽命，據(jù)了解，一般BSG設(shè)計(jì)壽命中啟停為50萬(wàn)次。因此主機(jī)廠制定發(fā)動(dòng)機(jī)啟?？偞螖?shù)可以參考以上數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)樣品及關(guān)鍵輔助設(shè)備

啟停耐久試驗(yàn)主要針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)軸瓦、附件系統(tǒng)、BSG及相關(guān)螺栓。發(fā)動(dòng)機(jī)在裝配中關(guān)注相關(guān)運(yùn)動(dòng)件和附件系統(tǒng)的零件質(zhì)量，BSG盡量是設(shè)計(jì)鎖定后的狀態(tài)。此外，由于普通電池?zé)o法長(zhǎng)時(shí)間帶動(dòng)BSG頻繁啟停，因此相較于常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，須增加電池模擬器(代替電池的一種設(shè)備)來(lái)實(shí)現(xiàn)充放電功能。該設(shè)備既可以提供可控制的電流電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)BSG電機(jī)，又可以吸收BSG電機(jī)發(fā)電時(shí)的電能，回饋到電網(wǎng)。其充放電電流、電壓和功率的指標(biāo)需要能覆蓋BSG的電流和電壓限值、功率范圍及相關(guān)精度要求。

3 試驗(yàn)過(guò)程中維護(hù)保養(yǎng)

發(fā)動(dòng)機(jī)啟停一次的運(yùn)行時(shí)間為秒級(jí)，燃燒極其不充分，多次啟停下來(lái)，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)和火花塞、含有大量的積碳，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)損壞，影響B(tài)SG啟停耐久的考核。同時(shí)，當(dāng)火花塞的絕緣電阻小于10兆歐時(shí)，則會(huì)影響點(diǎn)火，影響試驗(yàn)的開展。為了排除這些干擾因素，有必要在試驗(yàn)過(guò)程中隔一段時(shí)間，提高轉(zhuǎn)速加長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間，清理積碳，一定數(shù)量啟停后運(yùn)行一次高速清積碳工況。

由于試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，試驗(yàn)過(guò)程中需定期檢查輪系、支架、皮帶及BSG狀態(tài)，同時(shí)監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)的性能以及“三漏”(油、水、氣)情況。

4 試驗(yàn)后關(guān)鍵零部件分析

根據(jù)試驗(yàn)考核目的，試驗(yàn)后需檢查發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)運(yùn)動(dòng)件和附件系統(tǒng)的磨損情況，檢查BSG的性能指標(biāo)、扭矩衰減以及機(jī)械零部件磨損情況。某乘用車主機(jī)廠48 V項(xiàng)目發(fā)動(dòng)機(jī)采用該啟停耐久試驗(yàn)后，零件檢查情況如下：

發(fā)動(dòng)機(jī)主軸瓦和連桿瓦：瓦面材料無(wú)剝落，沒(méi)有明顯劃傷拉痕，整體無(wú)異常，如圖4所示。

圖4 曲軸主軸瓦和連桿軸瓦試驗(yàn)后外觀檢查

附件皮帶：皮帶楔面裂紋經(jīng)進(jìn)一步檢查為B級(jí)磨損，評(píng)定為建議更換，如圖5所示。

圖5 附件皮帶試驗(yàn)后外觀檢查

BSG：復(fù)測(cè)電機(jī)性能正常，響應(yīng)正常，進(jìn)一步拆解，各機(jī)械零件無(wú)磨損，相關(guān)扭矩?zé)o丟失，零件通過(guò)試驗(yàn)，如圖6所示。

圖6 BSG拆解后部分子零件外觀

綜上，可以看到該試驗(yàn)檢驗(yàn)出了附件系統(tǒng)的相關(guān)問(wèn)題，試驗(yàn)方法可靠，能達(dá)到預(yù)期效果。目前啟停耐久試驗(yàn)已被推廣為該主機(jī)廠開發(fā)混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)(包括并不局限于48 V)的必要認(rèn)證試驗(yàn)條目。

5 結(jié)論

(1)48 V系統(tǒng)啟停耐久試驗(yàn)單次啟停的時(shí)間需要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力建立的時(shí)間，總次數(shù)的制定需要結(jié)合國(guó)家法規(guī)、用戶實(shí)際用車情況及零件的設(shè)計(jì)壽命。

(2)由于BSG啟停試驗(yàn)涉及電能的消耗與產(chǎn)生，必須配備電池模擬器，確保試驗(yàn)的開展。

(3)啟停試驗(yàn)燃燒不充分，積碳嚴(yán)重，為確保發(fā)動(dòng)機(jī)不受損壞，在試驗(yàn)過(guò)程中需定期運(yùn)行清積碳工況。

(4)帶48 V系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)啟停耐久試驗(yàn)在某乘用車主機(jī)廠48 V項(xiàng)目進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，檢驗(yàn)出了附件輪系的問(wèn)題，達(dá)到了預(yù)期的效果該方法也被此主機(jī)廠進(jìn)一步推廣至相關(guān)混合動(dòng)力項(xiàng)目。